在線氣體分析儀在乙烯裂解裝置中的應用

孫繼鋒 張 劍 馬 琪

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

乙烯是石油化學工業的基礎原料之一，由乙烯裝置生產的乙烯、丙烯、丁二烯，是生產各種有機化工原料和三大合成材料（合成樹脂、合成纖維、合成橡膠）的基礎原料［1］。 乙烯工業的發展水平總體上代表了一個國家石油化學工業的水平［2］。目前全世界年產超過一億噸乙烯，主要以石腦油（或乙烷）為原料，采用蒸汽裂解技術生產。以石腦油為原料時，乙烯收率約為30%、丙烯收率約為15%［3］。

近年來， 乙烯裂解工藝不斷發展和完善，以滿足對裂解原料的可選擇性和烯烴產品市場需求的多樣性［4］。 先進的過程控制技術極大地改進了產品質量，提高了生產效率。 乙烯裂解過程的典型特征是物料在裂解爐中滯留時間短、選擇性高、操作安全可靠、能效高。 在線分析在乙烯和丙烯的生產過程中至關重要，通過連續監測工藝過程中的介質組成，實現增加產出和確保產品質量的目的［5］。

1 設計條件

裂解氣工況參數如下：

介質名稱 裂解氣

采樣點位置 裂解爐出口

樣品狀態 氣相

最大設計壓力 0.440MPa

最大設計溫度 675℃

操作壓力 0.071（最大）/0.070（正常）/0.040（最小）MPa

操作溫度 576（最高）/399（正常）/381（最低）℃

樣品組成及其測量范圍見表1。

表1 樣品組成及其測量范圍 mol%

2 設計方案

2.1 采樣系統

裂解氣溫度較高且組成復雜，H2O 和C5 以上的重組分較難汽化，一旦進入色譜，會對進樣閥和色譜分離系統造成不良影響，需要在采樣系統中除掉。 因此，一些公司專門開發了針對裂解氣工況的特殊采樣系統。 比較典型的有賽默飛世爾公司的Py-Gas 采樣器、ABB 公司的DRS 采樣器及天華院的YQXL 采樣器等。 這些采樣器工作原理大同小異，以Py-Gas 采樣器［6］為例，其工作過程如圖1 所示。

圖1 Py-Gas 采樣器工作過程

由工藝管線來的高溫、帶有油水混合物的裂解氣先經過過濾段，被過濾掉一部分后回流到工藝管線里。 然后進入冷卻段，Vortex 制冷器可產生最低達-40℃的制冷空氣， 通過列管式換熱器冷卻樣品， 使裂解氣中的大量H2O 和C5 以上的油類物質冷凝為液體，順著立管回流到工藝管線中。 冷卻后的氣體樣品經取樣器頂部的氣動閥進入樣品管線，為防止氣體樣品中攜帶水或油類重烴組分，氣體樣品出口的溫度由一個氣動溫控單元控制，當溫度高于設定值時，出口氣動閥關斷，截斷氣體樣品， 當溫度低于設定范圍時， 關斷Vortex 制冷器的驅動空氣，停止制冷，直到溫度回到設定區間。 通常樣品氣出口溫度設定在10～16℃，只有溫度在此范圍內時，裂解氣樣品才能進入樣品管線。

2.2 樣品前處理系統

樣品前處理系統（圖2）盡可能靠近采樣點，主要功能是氣液分離，進一步除去裂解氣中的重組分。 該系統可以設置反吹功能，在裂解爐清焦時，用于反吹樣品管線和采樣探頭。

圖2 樣品前處理系統（1/4″=6mm，3/8″=10mm）

2.3 樣品預處理系統

樣品預處理系統（圖3）通常安裝在分析小屋外墻并靠近色譜儀處， 主要功能是對裂解氣樣品進行進一步處理，包括過濾、壓力指示和調節、流路指示和調節、多流路切換以及色譜儀標定等。

2.4 色譜配置

每臺裂解爐有兩組爐管，每組爐管的出口有一個采樣點，即每臺裂解爐有兩個采樣點，共用一臺在線色譜儀。 為了提高分析采樣頻率，這兩個點可進行并行進樣、并行分析。 西門子Maxum II 型色譜儀獨有的八通道熱導檢測器，配合多應用并行技術， 使得裂解氣快速分析成為現實，分析周期短至2min， 即2min 同時完成兩流路數據更新。 閥柱系統的配置是色譜分析儀快速準確測量的前提，具體如圖4 所示。

圖3 樣品預處理系統（1/8″=3mm，1/2″=12mm）

圖4 閥柱系統配置

3 分析結果及譜圖

在本套預處理系統中，由于介質的操作溫度達400℃，且含有H2O 和C5 以上的重組分，在樣品傳輸過程中，易冷凝為液態，使得樣品以氣液兩相的形式共存，這對在線分析儀來說是不現實的，所以在采樣點采用天華院的YQXL 采樣器對采樣后的樣品進行處理，使之在采樣點就將重組分和H2O 除掉，在前處理和預處理中進行常規的處理就能達到在線分析儀表進表前的要求。

在線色譜分析儀LR1～LR3 檢測器譜圖如圖5～7 所示。可以看出，在2min 的分析周期內，需要測 量 的6 個 組 分 （H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8）得到了很好的分離和有效測量，將分析結果與設計院給出的設計數據表中的測量范圍和正常值作對比，可以發現分析所得結果均在測量范圍內，這說明預處理系統的設計和色譜分析儀的選型在乙烯裂解工段上完全滿足設計要求，為裂解爐控制提供了及時有效的分析數據。

圖5 LR1 檢測器譜圖

圖6 LR2 檢測器譜圖

圖7 LR3 檢測器譜圖

4 結束語

筆者介紹了分析儀表選型和預處理系統設計方法，該系統在實際應用中一次性開車成功，并實現了長周期可靠運行， 其分析結果能夠實時在線地對整個工藝進行在線監測， 為工藝人員對裂解爐的控制提供重要的參考依據， 從而有效控制裂解深度， 提高雙烯收率和企業的經濟效益。