石化裝置密閉取樣系統的選擇與應用

趙洪濤

（北京石油化工工程有限公司）

0 引言

在石油化工裝置中，為確定進料是否符合要求、生產過程是否正常、產品是否合格，都需要按時在原料、中間產品和產品中采集樣品來進行分析化驗，而所采集的樣品是否具有代表性，對分析化驗結果的正確性有著很大影響。要保證樣品的代表性，就需要選擇合適的取樣系統。

目前，取樣系統有開式和密閉式兩大類。傳統的開式取樣法由于需要對取樣容器、管道的物料滯留區域進行置換和清洗，易造成有毒有害物料的泄漏，威脅到操作人員的安全和健康，同時也造成了資源的浪費，并且給環境帶來了一定的污染。近年來，密閉取樣器被廣泛應用于各大石油化工生產過程[1]，通過將采樣后的物料循環回工藝管路、排入回收裝置或者送入火炬等方式，避免采樣時的放空、撒漏等對安全生產、人員健康和作業環境產生危害，同時，也減少了外界環境對樣品的污染及每次采樣時因置換所造成的物料損失。

目前，密閉取樣器的型式及種類較多，如何根據物料性質及工藝參數等選擇合適的取樣器，成為用戶關注的焦點。

1 密閉取樣器的組成

密閉取樣器主要由箱體、采樣瓶、快速接頭（采樣針）、管道、壓力表、閥門、密封件及法蘭組成，適用于石油化工裝置管道內不同工藝狀況下的各種介質，尤其是有毒有害、易燃易爆等有危險性的中、低壓氣液介質的無泄漏取樣。樣品真實性強、準確度高、無殘液及殘氣排放，能夠有效防止有毒有害介質對操作工人的傷害，同時也避免了對周邊環境的污染，以及在采樣時可能造成的危險事故。

2 密閉取樣器分類

按取樣物料的性質，密閉取樣器分為氣體密閉取樣系統、液體密閉取樣系統、液化氣體密閉取樣系統?？筛鶕F場實際情況選擇增加吹掃、伴熱、冷卻、過濾等功能，組成不同形式的密閉取樣器。

考慮到取樣人員的安全，當采樣介質溫度高于60 ℃時，需設置取樣冷卻器，以避免取樣人員被燙傷[2]。對于部分特殊物料，若降溫后其中部分組分會凝結從而導致物料組成變化的，可不加冷凝系統；對于冷凝后結晶可能造成管路堵塞的還需要在管路上加伴熱。取樣人員對此要做好人身防護。

對于取樣入口壓力較大的系統，常在樣品進口前增設自力式調節閥減壓，從而保證取樣系統的穩定和安全。

2.1 氣體密閉取樣系統

石化生產過程中很多物料含有對人體有毒有害的物質，需要在密閉條件下取樣。根據工藝條件的不同，一般分為常溫常壓型、常溫高壓型、高溫常壓型、高溫高壓型等。通?？蓱糜谙到y壓力為0.1～20 MPa可壓縮氣體的采樣，回樣點與采樣點的壓力差不低于0.02 MPa，采樣介質為流動狀態，采樣容器為高壓鋼瓶。

常溫常壓型密閉取樣形式見圖1所示，高溫常壓型密閉取樣形式見圖2所示，帶氮氣吹掃密閉取樣形式見圖3所示。

圖1 常溫常壓型密閉取樣系統

圖2 高溫常壓型密閉取樣系統

圖3 帶氮氣吹掃密閉取樣系統

2.2 液體密閉取樣系統

液體密閉取樣系統主要應用于有毒有害液體介質的采樣。采樣容器可為高壓鋼瓶或耐壓玻璃瓶。

當采樣容器為鋼瓶時，取樣系統的型式與氣體密閉取樣系統類似，但稍有區別。氣體取樣時采樣鋼瓶采用上進下出的型式，如圖1～圖3；而液體取樣時采樣鋼瓶則采用下進上出的型式，即：將圖1～圖3中樣品進口和樣品出口的位置互換（冷卻水系統隨樣品進口相應調整）。但是，液體采用此種型式的取樣系統存在著鋼瓶內采樣情況不可見、化驗室在分析操作上不方便、鋼瓶重量大等缺點，一般只在采樣壓力特別高時采用。

耐壓玻璃瓶液體密閉取樣系統可以采集系統壓力為0.02～15 MPa的液體介質。排氣口需配備揮發氣體吸附罐，以保證液體中的易揮發性氣體不直接排放到大氣中對環境和人體造成傷害。對于揮發性及毒性較大的采樣介質還需配備氮氣吹掃系統，在采樣前后對系統進行吹掃。采樣前吹掃的目的是盡量減少用物料沖洗采樣針的時間，減少采樣時長，從而減少揮發性及有毒物料的揮發及泄漏風險；同時趕出瓶中氧氣，防止物料被氧化。采樣后吹掃可防止閥門處殘留物料，以及拔出采樣瓶后采樣針頭殘留的物料泄漏。

當存在排氣針堵塞導致采樣瓶內壓力增大而破裂造成危險，或者取樣時物料有溢流出采樣瓶的可能，從而造成有毒有害物料存在泄漏風險時，可選擇固定體積液體密閉取樣系統（一般當流程壓力大于1 MPa時即可選用此種型式）。該系統可每次采集固定體積樣品，流程壓力不直接通到采樣瓶，使取樣更安全高效。

帶氮氣吹掃常溫液體密閉取樣形式見圖 4所示，帶氮氣吹掃高溫液體密閉取樣形式見圖5所示，固定體積液體密閉取樣形式見圖6所示。

圖4 帶氮氣吹掃常溫液體密閉取樣系統

圖6 固定體積液體密閉取樣系統

2.3 液化氣體密閉取樣系統

對于液化氣體的密閉取樣，目前多采用常溫氣體密閉取樣系統，只是在采樣鋼瓶內增加調整管，以給采樣鋼瓶留出足夠的氣化空間。對于LPG（液化石油氣）、液態乙烯、液態丙烯等，目前即采用此種形式。目前已有相應的國標取樣法[3-5]，取樣系統可按照標準設置。

液態乙烯密閉取樣系統如圖7所示。

圖7 液態乙烯密閉取樣系統

3 密閉取樣器的選擇配置要點

密閉取樣器的種類繁多，如何在如此多的形式中選擇合適的取樣器，關系到能否取到有代表性的樣品，從而保證分析測試結果的準確性。選擇密閉取樣器主要從以下幾個方面考慮。

（1）明確樣品的物料性質及工藝參數

首先，確定該物料狀態，明確溫度、壓力、黏度，以及物料各組分的物性等。對于操作溫度大于60 ℃的樣品，需配備取樣冷卻器；高黏度介質，需設置氮氣吹掃系統；易結晶凝固介質，需設置伴熱系統。

如，鄰二甲苯液相氧化裝置中，氧化反應器出口粗品（液相，溫度200 ℃，壓力1.3 MPa，主要組分為鄰甲基苯甲酸甲酯、鄰苯二甲酸單甲酯、鄰甲基苯甲酸、鄰苯二甲酸、水、鄰二甲苯）的取樣需要設置伴熱系統，保證取樣溫度不低于140 ℃，以防止其中的鄰苯二甲酸和鄰甲基苯甲酸凝固堵塞取樣管。

（2）確定取樣器的型式

確定是氣體密閉取樣、液體密閉取樣還是液化氣體密閉取樣，需不需要冷卻、保溫、伴熱、吹掃等；是鋼瓶取樣還是玻璃瓶取樣；是否定量取樣；放空去向是火炬，還是需要設置吸附罐；是采用箱體式還是立柱式（箱體式易于保溫和防塵，立柱式簡潔且節省成本）；設置的位置是否便于取樣，是否需要從高處引到低點取樣。

如，鄰二甲苯液相氧化裝置中，氧化反應器出口粗品取樣性質為液體密閉取樣，需設置伴熱、吹掃，采用鋼瓶取樣，為保證伴熱效果采用箱體式。介質出口為下游工藝管道，放空排至火炬。取樣位置在氧化反應器泵出口管道上，取樣方便，不需要從高處引到低處。

（3）確定取樣器的材質

密閉取樣器的材質可選擇304L（不銹鋼材料，屬于超低碳不銹鋼）、316L（不銹鋼材料，屬于超低碳不銹鋼）、Monel（蒙乃爾合金，又稱鎳合金）、Hastelloy（哈氏合金，屬于鎳基合金）等多種材質，通常密閉取樣器的管路、閥件材質為316L，面板、箱體、銘牌、支架的材質為304L。采樣鋼瓶材質通常為316L，根據物料性質可選擇是否內部做鈍化處理。若為常壓液態物料可選擇玻璃瓶取樣，根據需要可選擇棕色玻璃瓶、透明玻璃瓶、耐高溫玻璃瓶等，配套的采樣針和排氣針材質為316L。

如，鄰二甲苯液相氧化裝置中，氧化反應器出口粗品密閉取樣系統整體材質為316L，只有箱體和伴熱管采用了304L材質。對于涉及氫氟酸和氟氣的采樣，需要用到Monel材質；含有硫化氫、氯化氫、甲酸等物料的采樣，需要用到Hastelloy材質。

（4）確定取樣器管路的管徑

通常情況下，冷卻器進出口管徑可選擇 1/2英寸（12.7 mm）或3/4英寸（19.0 mm）。物料的進出口管徑宜為1/2英寸（12.7 mm），氣體物料可選擇1/4英寸（6.35 mm）。氮氣吹掃管道為1/4英寸（6.35 mm）。各類管徑也可選擇其他尺寸，但管徑不宜過大，以防影響主管物料。

（5）確定取樣容器的體積及配件

根據該物料的分析項目，確定所需的取樣體積。通常采樣鋼瓶可選容積為25～2 000 mL，一般需配置兩端閥門、快速接頭、把手，根據需要配置防爆片、調整管、保溫套等。采樣玻璃瓶可選容積為25～2 000 mL，可選擇透明或棕色，一般需配置瓶蓋、Teflon（聚四氟乙烯）墊、保護膜等。

如，鄰二甲苯液相氧化裝置中，氧化反應器出口粗品取樣點需要分析鄰二甲苯及鄰甲基苯甲酸甲酯的含量和酸值。根據分析方法，需要采樣300 mL才能滿足測試要求，同時，采樣鋼瓶還需要設置保溫套，防止在運輸過程中樣品溫度降低出現凝固。

最后，以合成氣制乙醇裝置中粗乙酸甲酯羰基化反應器出口氣體取樣為例，對密閉取樣器的選擇配置要點進行說明。該物料為氣體，操作溫度為250 ℃，操作壓力 4.85 MPa，物料主要組分為一氧化碳、乙酸甲酯、氫氣、二甲醚、乙酸，摩爾百分比分別為70%、5%、15%、9%、0.005%。主要分析項目為乙酸、乙酸甲酯、氫氣、二甲醚及一氧化碳的含量。

結合上述取樣器的確定步驟，該物料可選用高溫常壓型密閉取樣系統（見圖2）。因二甲醚、乙酸有腐蝕性，物料接觸材質選用316L，為節省費用，面板、箱體、銘牌、支架的材質選用304L。冷卻器進出口管徑選擇1/2英寸（12.7 mm），物料進出管道選用1/4英寸（6.35 mm）。根據各分析項目分析方法要求，通過核算，選用300 mL的采樣鋼瓶，鋼瓶配置兩端閥門、快速接頭、把手，以方便運送鋼瓶及與測試設備連接。

4 結束語

作為開式取樣器的有效替代，密閉取樣器在現階段及今后都將是石化企業取樣的主流設置。密閉取樣系統選型過程中，要充分了解所取物料的性質，綜合考慮各種因素選擇合適的密閉取樣系統，確保所取物料具有代表性，同時保證采樣人員的安全，從而為分析結果的準確性創造前提條件，進而更好地服務于企業生產。