梅華，于坤杰，王振雷

(華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

儀器儀表

乙烯裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測(cè)量技術(shù)

梅華，于坤杰，王振雷

(華東理工大學(xué) 化工過(guò)程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

深入分析了裂解爐現(xiàn)有裂解氣取樣分析系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的在線測(cè)量方法。該方法基于對(duì)裂解氣組成、物理和化學(xué)性質(zhì)的分析，推導(dǎo)了裂解氣中關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的表達(dá)式，進(jìn)而提出了一種新的裂解氣在線取樣分析系統(tǒng)，并詳細(xì)地給出了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有取樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加1個(gè)取樣孔和1股防焦蒸汽，解決裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率無(wú)法直接在線獲取的難題，對(duì)乙烯裝置運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和效益評(píng)價(jià)有非常重要的意義。

乙烯裂解爐 關(guān)鍵組分 質(zhì)量收率 在線測(cè)量技術(shù)

乙烯是一種非常重要的化工原料，它的產(chǎn)量高低是衡量一個(gè)國(guó)家石油化工發(fā)展水平的主要標(biāo)志[1]。目前，工業(yè)制乙烯主要采用石油烴蒸汽熱裂解的方式，而裂解爐則是進(jìn)行裂解反應(yīng)的裝置。裂解原料(氣相或者液相)經(jīng)過(guò)氣化后在裂解爐的爐管中被進(jìn)一步加熱至高溫從而發(fā)生裂解反應(yīng)，生成氫氣、甲烷、乙烯、丙烯、丁二烯、芳烴等裂解產(chǎn)物。這些裂解反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)急冷后送入干燥、壓縮、分離等后續(xù)單元，得到高純度乙烯和丙烯、氫氣、丁二烯以及三苯、裂解汽油等高附加值產(chǎn)品。在該過(guò)程中，裂解爐出來(lái)的裂解產(chǎn)物分布將直接影響后續(xù)壓縮、分離系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和能耗，因而裂解爐是整個(gè)乙烯裝置的核心，是乙烯裝置經(jīng)濟(jì)效益的決定環(huán)節(jié)。

在工業(yè)乙烯生產(chǎn)過(guò)程中，為提高裝置甚至整個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，需要及時(shí)地了解企業(yè)中乙烯裂解爐的運(yùn)行狀況與工藝參數(shù)，尤其是裂解產(chǎn)物中關(guān)鍵組分的分布情況，以便企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度[2]和工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整[3]。然而，由于裂解產(chǎn)物中關(guān)鍵組分在線測(cè)量手段有限，無(wú)法獲取關(guān)鍵組分全組分質(zhì)量收率(簡(jiǎn)稱“質(zhì)量收率”)的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所以上述調(diào)度優(yōu)化工作只能借助反應(yīng)機(jī)理模型以及相關(guān)的模擬軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)裂解產(chǎn)物分布的估算[4-7]。眾所周知，目前裂解爐反應(yīng)機(jī)理模擬軟件基本被國(guó)外大公司壟斷，國(guó)內(nèi)乙烯生產(chǎn)企業(yè)僅在購(gòu)置裂解反應(yīng)模擬軟件上就要投入巨額的資金。另一方面，裂解反應(yīng)模擬軟件容易受到現(xiàn)場(chǎng)儀表、工藝條件等諸多因素影響，導(dǎo)致軟件模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間存在較大的偏差。這些偏差會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化產(chǎn)生許多不利影響，造成不必要的資源浪費(fèi)，提高了企業(yè)運(yùn)行成本，降低了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

因此，解決工藝乙烯裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的在線測(cè)量問(wèn)題具有非常重要的意義。目前關(guān)于裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)的文獻(xiàn)主要集中在在線取樣設(shè)備、管線的改造與在線分析儀表的維護(hù)方面[8-10]，而關(guān)于關(guān)鍵組分全組分在線分析的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。筆者從裂解爐出口裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)原理出發(fā)，首次提出一種裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測(cè)量原理，并根據(jù)該原理提出一種工業(yè)實(shí)現(xiàn)方案。

1 乙烯裂解爐在線取樣分析系統(tǒng)

乙烯裂解爐裂解產(chǎn)物分布的測(cè)量主要依靠在線色譜或者質(zhì)譜儀[11]進(jìn)行在線分析。由于裂解氣中包含大量的重油、水分和焦粒粉塵等雜質(zhì)，裂解氣必須經(jīng)過(guò)有效的處理之后獲得潔凈合格的樣氣才能進(jìn)入色譜儀(質(zhì)譜儀)進(jìn)行連續(xù)分析[8]。圖1為裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[9]，裂解氣從取樣器底部進(jìn)入取樣器后經(jīng)過(guò)換熱冷卻，由200℃以上急冷到10℃以下。此時(shí)裂解氣中的C4以上重組分和稀釋蒸汽冷凝成液相，在重力作用下由取樣器底部流回工藝管道；而C3以下輕組分以及部分C4組分保持氣相并從取樣器上部出口進(jìn)入傳輸管線，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾、冷卻去液處理后送入在線色譜進(jìn)行分析，最后得到氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷的體積分?jǐn)?shù)，記為φCi，i=0， 1， 2， 3， 4。其中，Ci表示組分中的包含有i個(gè)碳原子，例如，φC0表示氫氣的體積分?jǐn)?shù)，φC1表示甲烷的體積分?jǐn)?shù)，φC3=和φC3分別表示丙烯和混合C3的體積分?jǐn)?shù)，以此類推。顯然，在線色譜分析得到的結(jié)果只是乙烯、丙烯等關(guān)鍵產(chǎn)物占裂解產(chǎn)物中氣相部分(在3℃以下，0.12MPa)的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)功能示意

假設(shè)氣相樣氣中某關(guān)鍵組分的質(zhì)量百分比，即質(zhì)量收率(wt%)記為YC*(其中C*的概念同上)，則根據(jù)質(zhì)量收率的定義[12]得到Y(jié)Ci和φCi的關(guān)系：

(1)

從式(1)可知，如果要從在線色譜的測(cè)量結(jié)果φCi，i=0， 1， 2， 3， 4得到某關(guān)鍵組分的質(zhì)量收率YCi，必須已知裂解原料的轉(zhuǎn)化率X和氣相產(chǎn)物比Xg，而這2個(gè)參數(shù)是無(wú)法在線測(cè)量得到的。一種解決思路是根據(jù)裂解原料屬性通過(guò)裂解反應(yīng)機(jī)理模型和工藝參數(shù)(如爐管出口溫度(COT)、進(jìn)料負(fù)荷、汽烴比等)估算X和Xg，但其精度對(duì)關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的影響非常大；另一種解決思路就是對(duì)裂解氣的在線取樣和測(cè)量方式進(jìn)行改進(jìn)。

2 關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測(cè)量原理

(2)

圖2 新的裂解氣在線取樣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意

3 關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測(cè)量的工程實(shí)現(xiàn)

需要指出的是，取樣口位置選擇在TLE出口管線上，由于TLE出口溫度較高，在此溫度下裂解氣很容易發(fā)生結(jié)焦，造成管線堵塞，因而必須采取措施抑制結(jié)焦。此外，當(dāng)裂解原料屬性以及裂解爐工藝參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，裂解氣組成將發(fā)生很大的變化，導(dǎo)致被測(cè)介質(zhì)的密度隨之發(fā)生變化，這將嚴(yán)重影響質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果。針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，簡(jiǎn)潔的辦法是在取樣器入口前增加一股稀釋蒸汽。其作用有兩個(gè)： 降低取樣器入口裂解氣的烴分壓，抑制裂解氣結(jié)焦；稀釋裂解氣在整個(gè)混合氣中的比例，降低裂解氣組成變化對(duì)混合氣密度的影響。綜上所述，新的取樣系統(tǒng)在工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需采取以下工藝措施：

1) 裂解氣從取樣器過(guò)濾回流段中部進(jìn)入取樣器，從而與冷凝回流液分開(kāi)。

2) 在裂解氣取樣入口必須設(shè)置在TLE和淬冷器之間的工藝管線上，因而需增設(shè)1個(gè)防焦蒸汽混合段，在該管段內(nèi)裂解氣與防焦蒸汽充分混合。

3) 防焦蒸汽的溫度和壓力需與工藝管線中裂解氣的溫度和壓力相匹配，此處應(yīng)設(shè)置1個(gè)壓力控制回路，并做好保溫措施。

4) 分別在取樣器頂部氣相樣氣出口管線、防焦蒸汽管線和取樣器入口管線上設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)，其中防焦蒸汽和裂解氣需采用高溫型流量計(jì)，而裂解氣流量測(cè)量元件應(yīng)采用壓損較小的測(cè)量元件，如采用超聲波流量計(jì)、文丘里管或者畢托巴傳感器等[13]。

5) 取樣器底部增加一段回流液封段，此處管徑應(yīng)根據(jù)取樣器處理負(fù)荷計(jì)算管徑與管長(zhǎng)，以保證該管段內(nèi)能夠形成持續(xù)流動(dòng)的液封，防止裂解氣從取樣器底部竄入取樣器。

6) 由于增加了1股額外的防焦蒸汽，取樣器所需的冷量也較現(xiàn)有取樣器所需冷量要大，因而需要相應(yīng)地調(diào)整儀表風(fēng)量。

(3)

結(jié)合式(1)～(3)，可以得到裂解氣中關(guān)鍵組分占全組分的質(zhì)量收率。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者在深入分析裂解爐現(xiàn)有裂解氣取樣分析系統(tǒng)存在問(wèn)題的同時(shí)，提出了一種裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的取樣方法。該方法基于對(duì)裂解氣組成、物理和化學(xué)性質(zhì)的分析，推導(dǎo)了裂解氣中關(guān)鍵組分

質(zhì)量收率的表達(dá)式，進(jìn)而提出了一種新的裂解氣在線取樣分析系統(tǒng)，并詳細(xì)地給出了其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有取樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加1個(gè)取樣孔和1股防焦蒸汽，解決裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率無(wú)法直接在線獲取的難題，對(duì)裂解爐運(yùn)行優(yōu)化和乙烯裝置運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和效益評(píng)價(jià)有非常重要的意義。

最后需要指出的是，上述關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的測(cè)量方法受在線氣相色譜分析儀的影響很大。目前工業(yè)乙烯裂解爐裂解氣在線氣相色譜只分析氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷，不考慮在線色譜本身的測(cè)量精度，因而本文方法能夠精確測(cè)量上述6種組分的質(zhì)量收率。裂解氣中的部分C4組成與C5以下重組分存在于液相冷凝液中，故這類組成的質(zhì)量收率尚無(wú)法測(cè)量，關(guān)于這方面的內(nèi)容還有待進(jìn)一步研究。

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Online Measurement Technology on Mass Yields of Key Components in Ethylene Cracking Furnace

Mei Hua， Yu Kunjie， Wang Zhenlei

(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes， Ministry of Education， East China University of Science and Technology， Shanghai， 200237， China)

A new sampling approach is proposed in this paper after investigating on issues existing in current sampling and online analyzer systems in ethylene cracking furnace devices， in which an expression of mass yields of key components in cracking gas based on analysis on physical and chemical properties of cracking components is formulated， thus a new sampling system is designed with detailed configurations for engineering realization. Compared with current sampling system， both a new sampling entrance and an anti-coking steam are required additionally in the new system. Through above techniques， the dilemma that mass yields of key components in cracking gas can’t be obtained is solved. It is meaningful to the issue of optimization and benefit evaluation of ethylene installation running.

ethylene cracking furnace； key components； mass yields； online measurement technology

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1162202)；十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAF05B00)，上海市科技攻關(guān)項(xiàng)目(12dz1125100)，上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”研發(fā)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(13DZ2295300)。

梅華(1977—)，男，2006年畢業(yè)于上海交通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)工作于華東理工大學(xué)自動(dòng)化系，從事過(guò)程控制、建模與優(yōu)化方法及工程應(yīng)用的研究，任講師。

TP274，TH83

B

1007-7324(2015)01-0049-04

稿件收到日期： 2014-10-08，修改稿收到日期： 2014-11-15。