乙烯裂解氣在線分析儀自動清焦取樣器

孫維棟

(蘭州實華分析技術有限公司，蘭州 730070)

乙烯裂解氣在線分析儀自動清焦取樣器

孫維棟

(蘭州實華分析技術有限公司，蘭州 730070)

簡述乙烯裂解氣在線分析儀取樣的特點和各種取樣器的優劣比較，詳細介紹了自動清焦取樣器的特點、結構和功能。

自動清焦取樣器 乙烯裂解氣 過程樣品分析儀

乙烯裂解爐是乙烯生產裝置的核心設備，主要作用是把輕柴油、原油及石腦油等各類原材料加工成裂解氣，并將它提供給其他乙烯裝置，最終加工成乙烯、丙烯等產品。乙烯裂解爐生產能力和技術水平的高低，直接決定了整套乙烯裝置的生產規模、生產效率和產品品質。為了提高裂解爐乙烯、丙烯的收率，對裂解爐裂解深度進行先進控制，利用在線色譜分析儀對爐出口裂解氣組分(主要為輕組分，重組分不分析)進行分析是必不可少的，分析結果可以為控制裂解爐出口溫度、進料量、進料比率及裂解爐熱負荷等工藝參數提供重要依據[1]。

在線色譜分析儀屬于精密儀器，因此對所分析的樣品條件要求十分苛刻，一般所選用的樣品溫度不能高于120℃，雜質顆粒尺寸不能大于5μm，而且不能含有焦油、粉塵及飽和水汽等雜質。而裂解氣組成復雜，不能直接進色譜分析儀，為了滿足在線色譜分析儀的分析條件，就要對被分析的樣品進行處理，這就需要樣品預處理系統。取樣系統是在線色譜分析儀樣品預處理的重要組件之一，它能實現對過程工業流體樣品的取樣，在不改變過程工業流體典型化學組分特征的情況下完成對樣品流的分離。

1 取樣系統介紹①

在化工分析取樣中，取樣系統要根據其應用目的來設計，通過對取樣系統上取樣管“探針”的設計或定向來完成對取樣流體部分組分的初步物理分離。例如，取樣物理分離是將取樣探針周圍的固體顆粒從氣態或液態流體中分離出來；取樣探頭定位法是通過加液抑制將固體顆粒物從氣態樣品中分離出來[2]。

常用的取樣器型式有在線插拔式、探針分離式和流體分層式3種。

在線插拔式取樣器如圖1所示。該型取樣器的優點是拆卸方便、容易清洗更換，缺點是不能應用在高溫高壓的場所。

圖1 在線插拔式取樣器結構1——取樣針閥； 2——CONAX接頭；3——工藝連接法蘭； 4——取樣管線

探針分離式取樣器如圖2所示。該型取樣器的取樣探針在工藝根部閥的前面，取樣針閥在工藝根部閥的后面，工藝根部閥的開關對取樣探針沒有影響，其優點是可以隨時關閉工藝根部閥對工藝管道進行吹掃，可應用在高溫高壓的場所，缺點是前置取樣探針容易堵塞，不便于拆裝和清洗。

圖2 探針分離式取樣器結構1——取樣針閥； 2——取樣管；3——焊接頭； 4、7——工藝連接法蘭；5——工藝根部閥； 6——手持片；8——夾持法蘭； 9——探針；10——工藝管道

在一些情況下，如對有一定跨距的管路中的流體進行正確取樣時，由于流體有分層現象出現，因此需要采用特殊設計的取樣探頭。圖3為流體分層式取樣器，在一定長度的探針上分布有開口(小孔)，探針的長度等于管路的近似直徑，由于樣品是從管路提取并送到取樣探頭的探針，并且這些樣品是從管路不同部位提取的。因此，對所提取樣品的最后檢驗便能如實反映流經管路的流體全部的組分特征。該型取樣器的優點是能夠對工藝管道中各個部位的樣品進行采樣，經常應用在取樣流體有分層現象的工藝裝置上，缺點是安裝不方便、容易堵塞。

2 自動清焦取樣器簡介

乙烯裂解爐出口的裂解氣溫度很高，含水量大，組成復雜，既有氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯及丙烷等輕組分，又有裂解汽油、柴油及焦油等粘稠組分，此外還含有酸性氣體。常用的取樣器在乙烯裂解爐上容易結焦堵塞，使用壽命都很短，不適合在乙烯裂解爐上使用。針對乙烯裂解爐的特殊性專門設計了一套帶清焦的自動取樣系統，又叫自動清焦取樣器，其結構如圖4所示。

自動清焦取樣器是一種在裝置正常開車的情況下可以定時自動對在線分析儀取樣管線進行清焦處理的裝置，在自動清焦時既不影響工藝裝置的運行又不影響在線分析儀的分析。

2.1自動清焦取樣器組成

自動清焦取樣器由清焦氣缸、行程開關、二位五通電磁閥、空氣過濾減壓閥、除液過濾器、動態逆流取樣器、排液電磁閥、取樣三通、就地清焦控制箱(安裝在現場)、綜合控制箱(安裝在分析小屋)、綜合控制器PLC及清焦狀態顯示器等組成。

圖4 自動清焦取樣器結構1——氣缸； 2——行程開關接線盒；3——二位五通電磁閥； 4——清焦桿；5——空氣過濾減壓閥； 6——除液過濾器；7——動態逆流取樣器； 8——排液電磁閥；9——取樣三通； 10——工藝氣動閥；11——工藝管道

自動清焦取樣器的控制是由PLC來完成的(也可以由DCS直接控制)。在清焦氣缸上裝有行程開關，一個高位一個低位，根據清焦的深度可以調節氣缸的行程。氣缸的動作由一個二位五通電磁閥控制，取樣器底部有工藝根部閥，工藝根部閥的開關信號、清焦桿高低位信號及二位五通電磁閥信號等全部輸入到PLC中，為了方便檢修在自動清焦取樣器的附近安裝一個就地清焦控制箱(帶手動清焦按鈕、清焦桿高低位信號指示燈)，對應的在線色譜分析小屋安裝有綜合控制箱(帶手動清焦按鈕、清焦桿高低位信號指示燈)，這些手動清焦信號也全部輸入到PLC中，由PLC采集信息，最終給二位五通電磁閥一個信號讓氣缸動作來控制清焦。自動清焦取樣器控制邏輯如圖5所示。

圖5 自動清焦取樣器控制邏輯

2.2自動清焦取樣器的工作原理

綜合控制箱內的PLC，首先判斷DCS返回的允許清焦信號、工藝根部閥打開信號與清焦桿高低位信號，當這些信號為高位時則給二位五通電磁閥一個信號打開氣源開關氣缸下行，到達低位的行程開關后行程開關返回信號給PLC，PLC給二位五通電磁閥信號使氣源自動切換，氣缸返回高位，完成一次清焦過程。自動清焦設定為每兩小時清焦一次。也可以手動清焦，在小屋的綜合控制箱有選擇開關，可以選擇小屋手動清焦也可以選擇就地手動清焦，當選擇就地手動清焦時小屋的手動清焦不起作用，反之亦然。當按下手動清焦按鈕時，按鈕給PLC一個請求清焦信號，PLC會綜合判斷各種條件是否滿足清焦，滿足則氣缸動作清焦，不滿足則氣缸不動作。

清焦器的核心部件為清焦刀頭，清焦刀頭采用馬氏體不銹鋼3Cr13加工制成，加工完成后經熱處理(淬火回火)其硬度可達HRC48，熱處理后的清焦刀頭具有較高的強度、較好的耐磨性和優良的耐腐蝕性，因此它能在裂解爐復雜的工況條件中使用。清焦刀頭的主要功能是將取樣口的結焦鏟回工藝管道，以確保取樣口暢通。

動態逆流取樣器。樣品從工藝管道出來經工藝根部閥到取樣三通，然后進入動態逆流取樣器。動態逆流取樣器的取樣管從下到上分為兩段，第1段內部裝有瓷環，可以增加氣體的接觸面積，同時對樣品的上行增加阻力，使樣品在環境溫度中自然冷卻，裂解氣中的重組分冷凝，冷凝的重組分沿管道壁流向取樣口。第2段為列管式換熱器，樣品從下部進入換熱器，渦旋管冷卻器產生的低溫(-15～-10℃)冷氣從換熱器的頂部注入到換熱器，換熱器的管程走樣品，換熱器的殼程走冷氣，使冷氣和樣品在換熱器中逆向流通。樣品在換熱器中快速冷卻，樣品里的水分和油在經過換熱器時被冷凝，這些凝液在自身重力的作用下沿著管道壁向下回流，在反向流過取樣管第1段時將清洗被阻擋截留于此的雜質、重油等先期冷凝的重組分并脫離瓷環一同流回工藝管道。凝液起到沖刷管道自清洗的作用。這些冷凝液流回工藝管道的過程中受工藝管道高溫的作用在取樣口和工藝根部閥附近結焦，這些結焦層會將整個取樣口堵塞，最終影響在線色譜分析儀的取樣，所以為了解決結焦的問題，就需要對取樣管道進行定期清焦。

動態逆流取樣器出口的樣品溫度通常設定在5±1℃，渦旋管冷卻器利用儀表風產生約-15℃的低溫冷氣來冷卻樣品，冷卻率極高，并且這一溫度可以調節。換熱器的出口裝有測溫元件，測溫元件測到的樣品溫度傳遞到溫控器，溫控器根據設定溫度來控制溫度控制閥和樣品超溫切斷閥，使取樣器輸出設定溫度范圍的裂解氣。正常工作情況下，通過控制渦旋管冷卻器產生的冷氣來冷卻裂解氣，使取樣器出口溫度在一定范圍內。當樣品出口流量增大、工藝發生變化及樣品傳輸管線泄漏等原因造成樣品冷卻不下來、溫度持續升高到超溫保護設定點溫度時，溫度控制器輸出一個信號給樣品超溫切斷閥，關閉樣品出口，這時，由于換熱器內部樣品不再流動，樣品溫度將馬上冷卻下來，當溫度降到超溫保護設定點時，溫度控制器便關閉樣品超溫切斷閥信號，樣品出口打開。

樣品從動態逆流取樣器出來后進入安裝在清焦取樣器上的除液過濾器(圖4零件6)，除液過濾器過濾精度為10μm，可以將樣品中沒有脫去的液體除去，除液過濾器下方有排液電磁閥，排液電磁閥的控制開關安裝在分析小屋，儀表工巡檢時定期按一下開關，即可排液。除液過濾器的出口裝有精細過濾器，由不銹鋼粉末冶金燒結制成，過濾精度5μm，從精細過濾器出來的樣品無油、無雜質，就可以進入后級樣品預處理了。

后級樣品預處理主要包括流量控制、流路切換、大氣平衡及標準氣校正等，經過處理后的樣品即可進入在線色譜分析儀進行分析。

3 結束語

自動清焦取樣器的投用提高了在線分析儀的使用壽命，減少了在線分析儀取樣器的維護次數，提高了勞動生產率從而節約了生產成本。目前這種自動清焦取樣器已在蘭州乙烯、撫順乙烯、吉林乙烯、天津乙烯、盤錦乙烯及四川乙烯等許多化工廠乙烯裝置裂解爐上得到了廣泛使用，為裂解爐在線分析儀的長期可靠運行提供了保障。

[1] 張會國，曲衛方，生顯林，等.乙烯裂解氣在線分析取樣系統存在的問題及改進措施[J].化工自動化及儀表,2008,35(5):93～96.

[2] 羅伯特 E 謝爾曼,著，馮秉耘，高長春，譯.過程樣品分析儀樣品預處理系統技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

TH83

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1000-3932(2016)12-1322-04

2016-10-31(修改稿)