乙烯裂解气在线分析仪自动清焦取样器

2016-11-22孙维栋

化工自动化及仪表 2016年12期

关键词：裂解气裂解炉乙烯

孙维栋

(兰州实华分析技术有限公司，兰州 730070)

乙烯裂解气在线分析仪自动清焦取样器

孙维栋

(兰州实华分析技术有限公司，兰州 730070)

简述乙烯裂解气在线分析仪取样的特点和各种取样器的优劣比较，详细介绍了自动清焦取样器的特点、结构和功能。

自动清焦取样器乙烯裂解气过程样品分析仪

乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，主要作用是把轻柴油、原油及石脑油等各类原材料加工成裂解气，并将它提供给其他乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯等产品。乙烯裂解炉生产能力和技术水平的高低，直接决定了整套乙烯装置的生产规模、生产效率和产品品质。为了提高裂解炉乙烯、丙烯的收率，对裂解炉裂解深度进行先进控制，利用在线色谱分析仪对炉出口裂解气组分(主要为轻组分，重组分不分析)进行分析是必不可少的，分析结果可以为控制裂解炉出口温度、进料量、进料比率及裂解炉热负荷等工艺参数提供重要依据[1]。

在线色谱分析仪属于精密仪器，因此对所分析的样品条件要求十分苛刻，一般所选用的样品温度不能高于120℃，杂质颗粒尺寸不能大于5μm，而且不能含有焦油、粉尘及饱和水汽等杂质。而裂解气组成复杂，不能直接进色谱分析仪，为了满足在线色谱分析仪的分析条件，就要对被分析的样品进行处理，这就需要样品预处理系统。取样系统是在线色谱分析仪样品预处理的重要组件之一，它能实现对过程工业流体样品的取样，在不改变过程工业流体典型化学组分特征的情况下完成对样品流的分离。

1 取样系统介绍①

在化工分析取样中，取样系统要根据其应用目的来设计，通过对取样系统上取样管“探针”的设计或定向来完成对取样流体部分组分的初步物理分离。例如，取样物理分离是将取样探针周围的固体颗粒从气态或液态流体中分离出来；取样探头定位法是通过加液抑制将固体颗粒物从气态样品中分离出来[2]。

常用的取样器型式有在线插拔式、探针分离式和流体分层式3种。

在线插拔式取样器如图1所示。该型取样器的优点是拆卸方便、容易清洗更换，缺点是不能应用在高温高压的场所。

图1 在线插拔式取样器结构1——取样针阀； 2——CONAX接头；3——工艺连接法兰； 4——取样管线

探针分离式取样器如图2所示。该型取样器的取样探针在工艺根部阀的前面，取样针阀在工艺根部阀的后面，工艺根部阀的开关对取样探针没有影响，其优点是可以随时关闭工艺根部阀对工艺管道进行吹扫，可应用在高温高压的场所，缺点是前置取样探针容易堵塞，不便于拆装和清洗。

图2 探针分离式取样器结构1——取样针阀； 2——取样管；3——焊接头； 4、7——工艺连接法兰；5——工艺根部阀； 6——手持片；8——夹持法兰； 9——探针；10——工艺管道

在一些情况下，如对有一定跨距的管路中的流体进行正确取样时，由于流体有分层现象出现，因此需要采用特殊设计的取样探头。图3为流体分层式取样器，在一定长度的探针上分布有开口(小孔)，探针的长度等于管路的近似直径，由于样品是从管路提取并送到取样探头的探针，并且这些样品是从管路不同部位提取的。因此，对所提取样品的最后检验便能如实反映流经管路的流体全部的组分特征。该型取样器的优点是能够对工艺管道中各个部位的样品进行采样，经常应用在取样流体有分层现象的工艺装置上，缺点是安装不方便、容易堵塞。

2 自动清焦取样器简介

乙烯裂解炉出口的裂解气温度很高，含水量大，组成复杂，既有氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯及丙烷等轻组分，又有裂解汽油、柴油及焦油等粘稠组分，此外还含有酸性气体。常用的取样器在乙烯裂解炉上容易结焦堵塞，使用寿命都很短，不适合在乙烯裂解炉上使用。针对乙烯裂解炉的特殊性专门设计了一套带清焦的自动取样系统，又叫自动清焦取样器，其结构如图4所示。

自动清焦取样器是一种在装置正常开车的情况下可以定时自动对在线分析仪取样管线进行清焦处理的装置，在自动清焦时既不影响工艺装置的运行又不影响在线分析仪的分析。

2.1自动清焦取样器组成

自动清焦取样器由清焦气缸、行程开关、二位五通电磁阀、空气过滤减压阀、除液过滤器、动态逆流取样器、排液电磁阀、取样三通、就地清焦控制箱(安装在现场)、综合控制箱(安装在分析小屋)、综合控制器PLC及清焦状态显示器等组成。

图4 自动清焦取样器结构1——气缸； 2——行程开关接线盒；3——二位五通电磁阀； 4——清焦杆；5——空气过滤减压阀； 6——除液过滤器；7——动态逆流取样器； 8——排液电磁阀；9——取样三通； 10——工艺气动阀；11——工艺管道

自动清焦取样器的控制是由PLC来完成的(也可以由DCS直接控制)。在清焦气缸上装有行程开关，一个高位一个低位，根据清焦的深度可以调节气缸的行程。气缸的动作由一个二位五通电磁阀控制，取样器底部有工艺根部阀，工艺根部阀的开关信号、清焦杆高低位信号及二位五通电磁阀信号等全部输入到PLC中，为了方便检修在自动清焦取样器的附近安装一个就地清焦控制箱(带手动清焦按钮、清焦杆高低位信号指示灯)，对应的在线色谱分析小屋安装有综合控制箱(带手动清焦按钮、清焦杆高低位信号指示灯)，这些手动清焦信号也全部输入到PLC中，由PLC采集信息，最终给二位五通电磁阀一个信号让气缸动作来控制清焦。自动清焦取样器控制逻辑如图5所示。

图5 自动清焦取样器控制逻辑

2.2自动清焦取样器的工作原理

综合控制箱内的PLC，首先判断DCS返回的允许清焦信号、工艺根部阀打开信号与清焦杆高低位信号，当这些信号为高位时则给二位五通电磁阀一个信号打开气源开关气缸下行，到达低位的行程开关后行程开关返回信号给PLC，PLC给二位五通电磁阀信号使气源自动切换，气缸返回高位，完成一次清焦过程。自动清焦设定为每两小时清焦一次。也可以手动清焦，在小屋的综合控制箱有选择开关，可以选择小屋手动清焦也可以选择就地手动清焦，当选择就地手动清焦时小屋的手动清焦不起作用，反之亦然。当按下手动清焦按钮时，按钮给PLC一个请求清焦信号，PLC会综合判断各种条件是否满足清焦，满足则气缸动作清焦，不满足则气缸不动作。

清焦器的核心部件为清焦刀头，清焦刀头采用马氏体不锈钢3Cr13加工制成，加工完成后经热处理(淬火回火)其硬度可达HRC48，热处理后的清焦刀头具有较高的强度、较好的耐磨性和优良的耐腐蚀性，因此它能在裂解炉复杂的工况条件中使用。清焦刀头的主要功能是将取样口的结焦铲回工艺管道，以确保取样口畅通。

动态逆流取样器。样品从工艺管道出来经工艺根部阀到取样三通，然后进入动态逆流取样器。动态逆流取样器的取样管从下到上分为两段，第1段内部装有瓷环，可以增加气体的接触面积，同时对样品的上行增加阻力，使样品在环境温度中自然冷却，裂解气中的重组分冷凝，冷凝的重组分沿管道壁流向取样口。第2段为列管式换热器，样品从下部进入换热器，涡旋管冷却器产生的低温(-15～-10℃)冷气从换热器的顶部注入到换热器，换热器的管程走样品，换热器的壳程走冷气，使冷气和样品在换热器中逆向流通。样品在换热器中快速冷却，样品里的水分和油在经过换热器时被冷凝，这些凝液在自身重力的作用下沿着管道壁向下回流，在反向流过取样管第1段时将清洗被阻挡截留于此的杂质、重油等先期冷凝的重组分并脱离瓷环一同流回工艺管道。凝液起到冲刷管道自清洗的作用。这些冷凝液流回工艺管道的过程中受工艺管道高温的作用在取样口和工艺根部阀附近结焦，这些结焦层会将整个取样口堵塞，最终影响在线色谱分析仪的取样，所以为了解决结焦的问题，就需要对取样管道进行定期清焦。

动态逆流取样器出口的样品温度通常设定在5±1℃，涡旋管冷却器利用仪表风产生约-15℃的低温冷气来冷却样品，冷却率极高，并且这一温度可以调节。换热器的出口装有测温元件，测温元件测到的样品温度传递到温控器，温控器根据设定温度来控制温度控制阀和样品超温切断阀，使取样器输出设定温度范围的裂解气。正常工作情况下，通过控制涡旋管冷却器产生的冷气来冷却裂解气，使取样器出口温度在一定范围内。当样品出口流量增大、工艺发生变化及样品传输管线泄漏等原因造成样品冷却不下来、温度持续升高到超温保护设定点温度时，温度控制器输出一个信号给样品超温切断阀，关闭样品出口，这时，由于换热器内部样品不再流动，样品温度将马上冷却下来，当温度降到超温保护设定点时，温度控制器便关闭样品超温切断阀信号，样品出口打开。

样品从动态逆流取样器出来后进入安装在清焦取样器上的除液过滤器(图4零件6)，除液过滤器过滤精度为10μm，可以将样品中没有脱去的液体除去，除液过滤器下方有排液电磁阀，排液电磁阀的控制开关安装在分析小屋，仪表工巡检时定期按一下开关，即可排液。除液过滤器的出口装有精细过滤器，由不锈钢粉末冶金烧结制成，过滤精度5μm，从精细过滤器出来的样品无油、无杂质，就可以进入后级样品预处理了。

后级样品预处理主要包括流量控制、流路切换、大气平衡及标准气校正等，经过处理后的样品即可进入在线色谱分析仪进行分析。