林湛霞 張國志
(1.中化泉州石化有限公司;2.上海萊豐自動化技術(shù)有限公司)
EO/EG裝置氧表預處理系統(tǒng)的改進①
林湛霞1張國志2
(1.中化泉州石化有限公司;2.上海萊豐自動化技術(shù)有限公司)
針對EO/EG裝置氧表預處理系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在的問題,對原預處理系統(tǒng)中減壓閥、流量報警設(shè)備設(shè)置不合理,造成氧表測量值頻繁波動影響工藝生產(chǎn)的問題進行了相應(yīng)改造,改造后的預處理系統(tǒng)的樣品條件達到了氧表的使用要求。
磁氧分析儀 預處理系統(tǒng) 環(huán)氧乙烷(EO) 乙二醇(EG)
國內(nèi)某100萬噸乙烯項目,自2013年EO/EG裝置氧表投用以來,由于工藝壓力的波動,引起氧表預處理箱內(nèi)壓力、流量波動 ,導致進樣壓力難以穩(wěn)定,引起測量值波動,無法達到設(shè)計精度,工藝難以操作。為了優(yōu)化工藝生產(chǎn),筆者對此表的樣品預處理進行了改造,儀表維護量減少,同時工藝操作也平穩(wěn)高效。
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,乙烯和氧氣直接進行氧化反應(yīng),生成環(huán)氧乙烷:
該化學反應(yīng)的副反應(yīng)同時進行,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)器進料中的允許濃度,同時為了得到環(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,用于監(jiān)控4路氣體的9種組分; 在線磁氧表4臺;在線色譜一臺。反應(yīng)器兩路切換,整個反應(yīng)器部分多達36個停車聯(lián)鎖,其中氧表的濃度是最重要的監(jiān)測參數(shù)[1]。
在氧化反應(yīng)中,氧濃度是一個關(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,裝置就會存在嚴重的安全隱患,因此快速而準確地分析出反應(yīng)器進、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%(氮氣致穩(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。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,為了能準確顯示氧氣濃度,反應(yīng)器入口設(shè)計3臺氧分析儀,反應(yīng)器出口設(shè)計一臺氧分析儀,其中3臺組成三取二冗余系統(tǒng),分析結(jié)果進入DCS和SIS系統(tǒng),工藝異常時實施緊急剎車控制。其中任何一臺高報警就聯(lián)鎖停氧氣混合站(OMS)。所以任何設(shè)計不當、設(shè)備材料選擇不妥、安裝差錯,都會導致裝置停車甚至引發(fā)著火、爆炸。工藝壓力的波動,會引起氧表預處理箱內(nèi)壓力、流量的波動 ,從而導致進樣壓力難以穩(wěn)定,引起測量值波動,造成工藝難以操作。
圖1統(tǒng)計了4個月氧表AT-1501、AT-1502由于測量數(shù)值波動而產(chǎn)生的維護量。
圖1 儀表維護量統(tǒng)計圖
由圖1可以看出氧表流量計波動調(diào)節(jié)維護量占總維護量的55%。經(jīng)過分析認為,氧表頻繁波動是因為儀表預處理設(shè)計上存在問題。
流量計安裝位置不合理,調(diào)節(jié)流量計會產(chǎn)生背壓,將流量計由原表后位置移至表前。流量開關(guān)原設(shè)計在表后,流量開關(guān)具有很強的節(jié)流作用,放在表后會產(chǎn)生較大的背壓,導致儀表測量氣室壓力不穩(wěn)定,并且流量開關(guān)會導致流量波動,拆除流量開關(guān)試驗。氧表的測量氣室出口一般會設(shè)計直排大氣,以避免背壓對測量氣室內(nèi)部的壓力造成影響而產(chǎn)生測量偏差,原設(shè)計中將流量開關(guān)和流量計均安裝在儀表出口之后,流量計和流量開關(guān)的結(jié)構(gòu)中均有節(jié)流作用很強的針閥,為保證流量開關(guān)設(shè)定的流量報警點符合要求,必須將內(nèi)部的針閥關(guān)小,這就相當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,將馬上導致儀表測量氣室的壓力波動,從而導致儀表測量值波動。
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;
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、動壓和總壓。顯然流動中速度增大,壓強就減??;速度減小, 壓強就增大;速度降為零,壓強就達到最大值(理論上應(yīng)等于總壓)。
當儀表測量室出口直排大氣時,動壓將會較大,靜壓力將會較??;當儀表測量室出口有背壓時,靜壓力將會較大,動壓將會小于直排大氣時的動壓。當總壓即壓力源波動時,測量室出口直排大氣情況下的靜壓變化將會較小,而動壓變化將會較大,靜壓變化小對氣體密度的影響也會較小,對測量的影響也會較??;而測量室出口有背壓時,由于背壓的影響,動壓變化將不如前者那么大,靜壓變化則大于前者,靜壓變化大導致氣體密度變化也會較大,則對于測量的影響會很大。因此,將可能會產(chǎn)生背壓的部件安裝在儀表出口的設(shè)計是不合理的。
改造前的預處理系統(tǒng)如圖2所示。
對于第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]。
方案一的實際運行效果會好于方案二,因為這種方案的壓力和流量都會非常穩(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)備樣品滯后時間會超出設(shè)計要求,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產(chǎn)生背壓的流量報警設(shè)備,經(jīng)過與工藝人員商討,將流量開關(guān)移至表前,然后加強巡檢關(guān)注表后流量計的示數(shù)即可,改造后預處理系統(tǒng)如圖3所示。而且儀表測量室如果漏氣,流量開關(guān)不報警,但流量計示數(shù)會下降,而且儀表測量值也會下降,不會造成裝置聯(lián)鎖停車,工藝人員關(guān)注氧測量值及其趨勢即可。對于安全方面,入口、出口氧表都是兩臺,可互相參考測量值,任意一臺測量值高高報警都會聯(lián)鎖OMS停車,同時工藝人員加強對氧測量值的關(guān)注度,加強巡檢,不會發(fā)生安全問題。
圖2 改造前預處理系統(tǒng)簡圖
圖3 改造后預處理系統(tǒng)簡圖
改造后氧在線測量值與同一點的質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)僅差0.02%,可靠性大幅增加。測試樣品滯后時間并現(xiàn)場模擬壓力、流量波動對氧表測量值的影響,發(fā)現(xiàn)樣品滯后時間合格,在同一條件下測量,氧測量值的壓力波動范圍降到±10kPa,流量波動降到±1L/h,對氧濃度測量值的影響遠小于改造前。因此改造后取得了預期效果,通過改造,提高了EO/EG在線分析儀表測量的準確性和可靠性,使氧表從原來一天校驗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時性。 穩(wěn)定氧表,減少波動,避免工藝因氧表波動而聯(lián)鎖停車,造成產(chǎn)量損耗。同時為工藝的平穩(wěn)生產(chǎn)提供了可靠保證和技術(shù)支持。
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,通過對問題的分析,對各個預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。通過實驗并在實際中應(yīng)用,經(jīng)過一段時間的統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)改造后,效果明顯,既降低了工作強度、人工成本,又保證了系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行。
[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].化工自動化及儀表,2013,40(7):910~916.
[2] 左國慶,明賜東.自動化儀表故障處理實例[M].北京:化學工業(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[M].北京:化學工業(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。
TH83
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1000-3932(2017)03-0319-04
2016-08-16,
2017-01-11)