基于渦旋管制冷原理的分析儀表樣品處理系統(tǒng)與添加劑秤下料系統(tǒng)改造

郭江明 劉 怡 周士勇 羅雯婷

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化公司信息網(wǎng)絡(luò)公司）

化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，分析儀表、添加劑秤等特殊儀表的可靠性往往取決于儀表是否在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到有代表性的工藝樣品，以及樣品的狀態(tài)（如溫度、壓力、流量和清潔程度）是否適合儀表所需的操作條件。 在此，筆者利用渦旋管制冷原理，改造分析儀表樣品處理系統(tǒng)，使其樣品符合儀表分析要求，提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，改造添加劑秤下料系統(tǒng)， 使之滿足添加劑秤的要求，保證工藝的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

1 渦旋管制冷原理

渦旋管制冷原理如圖1 所示。 常溫壓縮氣體經(jīng)噴嘴沿切線方向噴入渦旋發(fā)生器，由于切向噴嘴的作用，在渦旋發(fā)生器中形成沿圓周方向以音速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的高速氣流，順渦旋管向右運(yùn)動(dòng)。 熱端裝有控制閥，當(dāng)氣流到達(dá)熱端時(shí)，外圈氣流從控制閥閥芯周邊排出， 內(nèi)圈氣流受到閥芯的阻擋，反向折轉(zhuǎn)沿渦旋管向左運(yùn)動(dòng)，由冷端出口排出。 在渦旋管中，外圈右行氣流和內(nèi)圈左行氣流以相同的角速度沿同一方向旋轉(zhuǎn)，雖然兩者角速度相同，但外圈氣流線速度高，內(nèi)圈線速度低，即兩者的動(dòng)能不同，如此就會(huì)在兩股氣流的交界面上發(fā)生能量交換， 內(nèi)圈氣流向外圈氣流輸出能量，或者說(shuō)外圈氣流從內(nèi)圈氣流汲取能量，以維持兩者以相同的角速度高速運(yùn)行。 由于外圈氣流的動(dòng)能大，所以外圈氣體溫度高，從熱端出口經(jīng)過(guò)控制閥排出，形成熱風(fēng)的來(lái)源；內(nèi)圈氣流的動(dòng)能小，所以內(nèi)圈氣體溫度低，內(nèi)圈的低溫氣體經(jīng)過(guò)孔板排出時(shí)會(huì)產(chǎn)生絕熱膨脹，使其溫度進(jìn)一步下降，形成冷風(fēng)來(lái)源。

圖1 渦旋管制冷原理示意圖

2 分析儀表樣品處理系統(tǒng)改造

乙烯廠制氫裝置使用一臺(tái)紅外分析儀表測(cè)量蒸汽轉(zhuǎn)化爐后工藝介質(zhì)中CH4的含量。 自儀表安裝調(diào)試以來(lái)，一直無(wú)法長(zhǎng)周期運(yùn)行，同時(shí)紅外分析儀氣室極易進(jìn)水， 導(dǎo)致儀表無(wú)法正常投用。通過(guò)學(xué)習(xí)工藝流程發(fā)現(xiàn)，由于制氫裝置蒸汽轉(zhuǎn)化爐的工藝原理為CH4+C2H6+4H2O→2CO+CO2+9H2，工藝上為了獲得更好的收率，通常在工藝介質(zhì)中加入大量的水蒸氣以助于正向反應(yīng)， 增加CH4和C2H6的收率，所以導(dǎo)致儀表樣品中含有大量的水蒸氣。 但是工藝上必須知道轉(zhuǎn)化爐的實(shí)時(shí)反應(yīng)情況，致使分析儀表只能從樣品處理著手以保證儀表的長(zhǎng)周期使用。 儀表人員通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀察紅外分析儀運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)分析儀表具有預(yù)處理設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致其除水效果不佳，致使樣品中的水分無(wú)法去除，造成水分多次進(jìn)入紅外分析儀測(cè)量氣室，嚴(yán)重影響了儀表的正常測(cè)量，給工藝生產(chǎn)帶來(lái)不穩(wěn)定性， 反而降低了CH4和C2H6的收率以及裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)觀察分析儀表的樣品前處理和預(yù)處理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的樣品處理設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到分析儀表的要求。 利用現(xiàn)有的前處理箱和預(yù)處理設(shè)備，設(shè)計(jì)二級(jí)降溫除水設(shè)備，在前處理箱增加一個(gè)渦旋管和樣品冷卻罐，對(duì)進(jìn)入前處理樣品冷卻罐的樣品進(jìn)行第1 級(jí)降溫，除去大量的水分，少量的水分進(jìn)入第2 級(jí)渦旋管冷卻罐，達(dá)到進(jìn)一步除水的目的，然后微量的水分由干燥劑（硅膠和分子篩）脫除，最后使用氣液分離過(guò)濾器（膜片）保證進(jìn)入分析儀的樣品不含水分。 通過(guò)定期觀察，維護(hù)制定排水時(shí)間，有效保證了紅外分析儀的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

改造后的樣品處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 改造后的樣品處理工藝流程

3 添加劑秤下料系統(tǒng)改造

在聚乙烯樹脂儲(chǔ)存、運(yùn)輸和后加工過(guò)程中，為了減少或延緩由于機(jī)械力、熱、氧、光等作用而導(dǎo)致的材料性能被破壞， 聚乙烯樹脂在造粒過(guò)程中必須按工藝要求加入一定比例的不同品種的添加劑。 根據(jù)生產(chǎn)牌號(hào)的要求，將桶裝或袋裝固體添加劑分別加入卸料斗， 添加劑依靠自重分別進(jìn)入緩沖倉(cāng)， 緩沖倉(cāng)中的添加劑在流量控制器的控制下分別進(jìn)入加料器， 經(jīng)過(guò)計(jì)量后進(jìn)入粉料添加劑混合輸送器， 經(jīng)過(guò)充分混合后在重力作用下進(jìn)入混煉機(jī)粉料緩沖料斗。 聚乙烯樹脂與不同類型的添加劑混合， 經(jīng)過(guò)200～300℃的高溫加熱達(dá)到熔融狀態(tài)， 在雙螺桿擠壓機(jī)和熔融齒輪泵的作用下， 通過(guò)模板進(jìn)行水下造粒，產(chǎn)生合格粒料。

固體添加劑秤自開工以來(lái)， 多次出現(xiàn)下料故障， 造成添加劑秤測(cè)量不準(zhǔn)確， 輕者導(dǎo)致粒料不合格， 重則使擠壓機(jī)停機(jī)， 影響工藝平穩(wěn)運(yùn)行，既造成經(jīng)濟(jì)效益損失，又留下潛在的設(shè)備停機(jī)隱患。 因此，保證添加劑秤平穩(wěn)運(yùn)行、儀表測(cè)量準(zhǔn)確、工藝正常生產(chǎn)，至關(guān)重要。

首先，對(duì)添加劑秤及控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，對(duì)比同行業(yè)同類裝置的添加劑秤使用情況， 發(fā)現(xiàn)乙烯廠使用的添加劑秤與其他裝置相同， 添加劑秤大多數(shù)時(shí)間可以正常使用。 接著， 在查看歷史故障和擠壓機(jī)停機(jī)事件時(shí)發(fā)現(xiàn)添加劑秤使用不準(zhǔn)確主要發(fā)生在夏季， 且發(fā)生的時(shí)候都出現(xiàn)下料管線堵塞的情況， 后來(lái)在管線中清理出大量坨狀的添加劑。 最后， 分析發(fā)現(xiàn)添加劑秤下料不暢、 測(cè)量不準(zhǔn)的主要原因是添加劑在30℃左右時(shí)出現(xiàn)粘連。 由于添加劑屬于外購(gòu)物料且化學(xué)屬性和物理屬性都滿足擠壓機(jī)造粒生產(chǎn)， 無(wú)法隨便更換。 經(jīng)過(guò)儀表人員多方聯(lián)系和試驗(yàn)， 決定對(duì)下料管線進(jìn)行改造以滿足添加劑秤需要。

改造后的添加劑下料工藝流程如圖3 所示。改造后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察，添加劑秤再未出現(xiàn)下料堵塞的情況，下料滿足添加劑秤要求，保證了工藝的正常運(yùn)行。

圖3 改造后的添加劑下料工藝流程

4 渦旋管使用注意事項(xiàng)

渦旋管的使用注意事項(xiàng)有以下3 點(diǎn)：

a. 渦旋管制冷或制熱原理已經(jīng)大量運(yùn)用于乙烯廠的各個(gè)裝置和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，其中壓縮氣體的選擇至關(guān)重要。 首選儀表風(fēng)（壓縮空氣）作為制冷源，其次選擇氮?dú)狻?如果選擇氮?dú)猓瑒t一定要保證其排放在安全管道中，防止現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)氮?dú)庵舷⑹鹿省?/p>

b. 渦旋管制冷效果與壓縮氣體的流量、壓力成比例關(guān)系，如果需要精確溫度，建議在改造中增加溫度計(jì)以觀察制冷效果。 通過(guò)改變壓縮氣體流量或壓力（主要為減壓閥）來(lái)控制溫度，防止過(guò)度制冷出現(xiàn)壓縮氣體浪費(fèi)或凍凝設(shè)備的情況。

c. 制定合理的巡檢計(jì)劃，定期檢查渦旋管的使用情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用渦旋管制冷原理，改造分析儀表樣品處理系統(tǒng)，使降溫除水滿足儀表測(cè)量要求；改造工藝下料管線，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行制冷，以滿足添加劑秤下料工藝的要求。 利用小部件改造，讓工藝樣品滿足現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量需要，極大地保證了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。