EO/EG裝置氧表預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)①

林湛霞 張國志

(1.中化泉州石化有限公司；2.上海萊豐自動(dòng)化技術(shù)有限公司)

EO/EG裝置氧表預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)①

林湛霞1張國志2

(1.中化泉州石化有限公司；2.上海萊豐自動(dòng)化技術(shù)有限公司)

針對(duì)EO/EG裝置氧表預(yù)處理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,對(duì)原預(yù)處理系統(tǒng)中減壓閥、流量報(bào)警設(shè)備設(shè)置不合理，造成氧表測量值頻繁波動(dòng)影響工藝生產(chǎn)的問題進(jìn)行了相應(yīng)改造，改造后的預(yù)處理系統(tǒng)的樣品條件達(dá)到了氧表的使用要求。

磁氧分析儀 預(yù)處理系統(tǒng) 環(huán)氧乙烷(EO) 乙二醇(EG)

國內(nèi)某100萬噸乙烯項(xiàng)目，自2013年EO/EG裝置氧表投用以來，由于工藝壓力的波動(dòng)，引起氧表預(yù)處理箱內(nèi)壓力、流量波動(dòng) ，導(dǎo)致進(jìn)樣壓力難以穩(wěn)定，引起測量值波動(dòng)，無法達(dá)到設(shè)計(jì)精度，工藝難以操作。為了優(yōu)化工藝生產(chǎn)，筆者對(duì)此表的樣品預(yù)處理進(jìn)行了改造，儀表維護(hù)量減少，同時(shí)工藝操作也平穩(wěn)高效。

1 EO/EG裝置簡介

乙二醇裝置主要由環(huán)氧乙烷(EO)和乙二醇(EG)兩部分組成，某EO/EG裝置采用乙烯氧氣氧化法。在催化劑銀的作用下，乙烯和氧氣直接進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成環(huán)氧乙烷：

該化學(xué)反應(yīng)的副反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,反應(yīng)式如下：

C2H4+3O2→2CO2+2H2O

副反應(yīng)生成的CO2用碳酸鹽溶液吸收并將它從循環(huán)氣體中除去,反應(yīng)式如下：

CO2+K2CO3+H2O→2KHCO3

在上述反應(yīng)中,將甲烷作為致穩(wěn)劑加入到循環(huán)氣中,用以提高爆炸下限和氧在反應(yīng)器進(jìn)料中的允許濃度,同時(shí)為了得到環(huán)氧乙烷的最佳收率,還加入抑制劑二氯乙烷來限制乙烯完全氧化為二氧化碳。乙二醇工藝純凈的環(huán)氧乙烷與水按一定比例送入乙二醇反應(yīng)器，反應(yīng)生成乙二醇。再經(jīng)蒸發(fā)、脫水、精餾得到產(chǎn)品乙二醇：

C2H4O+H2O→C2H4(OH)2(乙二醇)

環(huán)氧乙烷反應(yīng)器是全裝置的關(guān)鍵,主要控制參數(shù)為：入口乙烯濃度30%，入口氧氣濃度8%。

在反應(yīng)器集中安裝在線分析儀器：在線質(zhì)譜儀一臺(tái)，用于監(jiān)控4路氣體的9種組分； 在線磁氧表4臺(tái)；在線色譜一臺(tái)。反應(yīng)器兩路切換，整個(gè)反應(yīng)器部分多達(dá)36個(gè)停車聯(lián)鎖，其中氧表的濃度是最重要的監(jiān)測參數(shù)[1]。

2 氧表在工藝中的作用

在氧化反應(yīng)中，氧濃度是一個(gè)關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)，氧濃度過低，乙烯轉(zhuǎn)化率下降；氧濃度過高，乙烯轉(zhuǎn)化率上升，但環(huán)氧乙烷的產(chǎn)量并不明顯提高；氧濃度如果超過爆炸極限，裝置就會(huì)存在嚴(yán)重的安全隱患，因此快速而準(zhǔn)確地分析出反應(yīng)器進(jìn)、出口的氧濃度是非常重要的。氧化反應(yīng)器中氧的摩爾濃度應(yīng)控制在8.0%(甲烷致穩(wěn))或6.8%(氮?dú)庵路€(wěn))以下。測量值穩(wěn)定且小于8.0%(如果大于8.0%，裝置停車并難以控制加氧量的操作，而且中間產(chǎn)物環(huán)氧乙烷反應(yīng)活性高，爆炸極限寬為3%～100%)，為了防止可燃性混合氣體的形成，廣泛采用聯(lián)鎖系統(tǒng)加以保護(hù)。乙烯氧化反應(yīng)系統(tǒng)的安全關(guān)鍵是氧氣的濃度是否正常，為了能準(zhǔn)確顯示氧氣濃度，反應(yīng)器入口設(shè)計(jì)3臺(tái)氧分析儀，反應(yīng)器出口設(shè)計(jì)一臺(tái)氧分析儀，其中3臺(tái)組成三取二冗余系統(tǒng)，分析結(jié)果進(jìn)入DCS和SIS系統(tǒng)，工藝異常時(shí)實(shí)施緊急剎車控制。其中任何一臺(tái)高報(bào)警就聯(lián)鎖停氧氣混合站(OMS)。所以任何設(shè)計(jì)不當(dāng)、設(shè)備材料選擇不妥、安裝差錯(cuò)，都會(huì)導(dǎo)致裝置停車甚至引發(fā)著火、爆炸。工藝壓力的波動(dòng)，會(huì)引起氧表預(yù)處理箱內(nèi)壓力、流量的波動(dòng) ,從而導(dǎo)致進(jìn)樣壓力難以穩(wěn)定，引起測量值波動(dòng)，造成工藝難以操作。

3 氧表在反應(yīng)控制中存在的問題

圖1統(tǒng)計(jì)了4個(gè)月氧表AT-1501、AT-1502由于測量數(shù)值波動(dòng)而產(chǎn)生的維護(hù)量。

圖1 儀表維護(hù)量統(tǒng)計(jì)圖

由圖1可以看出氧表流量計(jì)波動(dòng)調(diào)節(jié)維護(hù)量占總維護(hù)量的55%。經(jīng)過分析認(rèn)為，氧表頻繁波動(dòng)是因?yàn)閮x表預(yù)處理設(shè)計(jì)上存在問題。

流量計(jì)安裝位置不合理，調(diào)節(jié)流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生背壓，將流量計(jì)由原表后位置移至表前。流量開關(guān)原設(shè)計(jì)在表后，流量開關(guān)具有很強(qiáng)的節(jié)流作用，放在表后會(huì)產(chǎn)生較大的背壓，導(dǎo)致儀表測量氣室壓力不穩(wěn)定，并且流量開關(guān)會(huì)導(dǎo)致流量波動(dòng)，拆除流量開關(guān)試驗(yàn)。氧表的測量氣室出口一般會(huì)設(shè)計(jì)直排大氣，以避免背壓對(duì)測量氣室內(nèi)部的壓力造成影響而產(chǎn)生測量偏差，原設(shè)計(jì)中將流量開關(guān)和流量計(jì)均安裝在儀表出口之后，流量計(jì)和流量開關(guān)的結(jié)構(gòu)中均有節(jié)流作用很強(qiáng)的針閥，為保證流量開關(guān)設(shè)定的流量報(bào)警點(diǎn)符合要求，必須將內(nèi)部的針閥關(guān)小，這就相當(dāng)于儀表出口有很大的背壓。一旦儀表入口處壓力或流量波動(dòng)，將馬上導(dǎo)致儀表測量氣室的壓力波動(dòng)，從而導(dǎo)致儀表測量值波動(dòng)。

假設(shè)氣路系統(tǒng)是在理想情況下，則忽略重力，簡化后的伯努利方程為：

式中p——流體的壓強(qiáng)；

p0——常量；

v——流體的速度；

ρ——流體的密度。

其中從左到右分別為靜壓、動(dòng)壓和總壓。顯然流動(dòng)中速度增大，壓強(qiáng)就減小；速度減小， 壓強(qiáng)就增大；速度降為零，壓強(qiáng)就達(dá)到最大值(理論上應(yīng)等于總壓)。

當(dāng)儀表測量室出口直排大氣時(shí)，動(dòng)壓將會(huì)較大，靜壓力將會(huì)較小；當(dāng)儀表測量室出口有背壓時(shí)，靜壓力將會(huì)較大，動(dòng)壓將會(huì)小于直排大氣時(shí)的動(dòng)壓。當(dāng)總壓即壓力源波動(dòng)時(shí)，測量室出口直排大氣情況下的靜壓變化將會(huì)較小，而動(dòng)壓變化將會(huì)較大，靜壓變化小對(duì)氣體密度的影響也會(huì)較小，對(duì)測量的影響也會(huì)較小；而測量室出口有背壓時(shí)，由于背壓的影響，動(dòng)壓變化將不如前者那么大，靜壓變化則大于前者，靜壓變化大導(dǎo)致氣體密度變化也會(huì)較大，則對(duì)于測量的影響會(huì)很大。因此，將可能會(huì)產(chǎn)生背壓的部件安裝在儀表出口的設(shè)計(jì)是不合理的。

改造前的預(yù)處理系統(tǒng)如圖2所示。

4 改進(jìn)措施

對(duì)于第3節(jié)出現(xiàn)的情況有兩種解決辦法：方案一，增設(shè)表前穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥和表后背壓穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥；方案二，將造成背壓的部件移至表前[2,3]。

方案一的實(shí)際運(yùn)行效果會(huì)好于方案二，因?yàn)檫@種方案的壓力和流量都會(huì)非常穩(wěn)定，是儀表理想的測量工況，但是由于工藝生產(chǎn)安全的要求，需要控制樣品滯后時(shí)間在15s以內(nèi)，若增設(shè)這些穩(wěn)壓、穩(wěn)流設(shè)備樣品滯后時(shí)間會(huì)超出設(shè)計(jì)要求，因此只能選擇方案二。

方案二，出于工藝安全的考慮流量計(jì)的位置不允許置于表前，只能將它的背壓影響盡可能減到最小，即將流量計(jì)全開，只起到指示流量的作用，然后利用表前針閥來控制流量大小。流量開關(guān)按工藝要求也要置于表后，但無法選到合適的不會(huì)產(chǎn)生背壓的流量報(bào)警設(shè)備，經(jīng)過與工藝人員商討，將流量開關(guān)移至表前，然后加強(qiáng)巡檢關(guān)注表后流量計(jì)的示數(shù)即可，改造后預(yù)處理系統(tǒng)如圖3所示。而且儀表測量室如果漏氣，流量開關(guān)不報(bào)警，但流量計(jì)示數(shù)會(huì)下降，而且儀表測量值也會(huì)下降，不會(huì)造成裝置聯(lián)鎖停車，工藝人員關(guān)注氧測量值及其趨勢即可。對(duì)于安全方面，入口、出口氧表都是兩臺(tái)，可互相參考測量值，任意一臺(tái)測量值高高報(bào)警都會(huì)聯(lián)鎖OMS停車，同時(shí)工藝人員加強(qiáng)對(duì)氧測量值的關(guān)注度，加強(qiáng)巡檢，不會(huì)發(fā)生安全問題。

圖2 改造前預(yù)處理系統(tǒng)簡圖

圖3 改造后預(yù)處理系統(tǒng)簡圖

5 改造效果

改造后氧在線測量值與同一點(diǎn)的質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)僅差0.02%，可靠性大幅增加。測試樣品滯后時(shí)間并現(xiàn)場模擬壓力、流量波動(dòng)對(duì)氧表測量值的影響,發(fā)現(xiàn)樣品滯后時(shí)間合格，在同一條件下測量,氧測量值的壓力波動(dòng)范圍降到±10kPa，流量波動(dòng)降到±1L/h,對(duì)氧濃度測量值的影響遠(yuǎn)小于改造前。因此改造后取得了預(yù)期效果，通過改造，提高了EO/EG在線分析儀表測量的準(zhǔn)確性和可靠性，使氧表從原來一天校驗(yàn)一次降低到一月一次，不僅節(jié)約了成本,也降低了人工成本，更保證了樣品分析的實(shí)時(shí)性。 穩(wěn)定氧表，減少波動(dòng)，避免工藝因氧表波動(dòng)而聯(lián)鎖停車，造成產(chǎn)量損耗。同時(shí)為工藝的平穩(wěn)生產(chǎn)提供了可靠保證和技術(shù)支持。

6 結(jié)束語

主要闡述了國內(nèi)某大型乙烯EO/EG裝置中，氧表在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題、解決問題的思路和方案。首先，通過對(duì)裝置以及工藝的介紹，儀表在工藝控制中的作用，確立了該氧表在本系統(tǒng)中的重要性；其次，通過對(duì)問題的分析，對(duì)各個(gè)預(yù)處理部件功能的分析，找到了問題的癥結(jié)所在；最后，找到了解決問題的方案。通過實(shí)驗(yàn)并在實(shí)際中應(yīng)用，經(jīng)過一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)改造后，效果明顯，既降低了工作強(qiáng)度、人工成本，又保證了系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1] 錢耀紅，李亞楠.在線分析小屋系統(tǒng)在EO裝置中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(7)：910～916.

[2] 左國慶，明賜東.自動(dòng)化儀表故障處理實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3] 王森,符青靈.儀表工試題集:在線分析儀表分冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

林湛霞(1970-)，工程師，從事在線分析儀表的管理工作，linzhanxia@sinochem.com。

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1000-3932(2017)03-0319-04

2016-08-16，

2017-01-11)