苯乙烯裝置儀表選型與應(yīng)用淺析

陳聰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

苯乙烯（SM）是重要的基本有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)聚苯乙烯樹脂（PS）、丁苯橡膠和丁苯膠乳（SBR/SBR 膠乳）、離子交換樹脂等化工產(chǎn)品。此外，還可用于制藥、染料、農(nóng)藥等行業(yè)，用途十分廣泛。近年來，隨著橡膠下游相關(guān)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是汽車輪胎工業(yè)的飛速發(fā)展，橡膠等消費(fèi)量呈現(xiàn)出跳躍式增長，苯乙烯的需求量也飛速發(fā)展。我國苯乙烯生產(chǎn)能力遠(yuǎn)不能滿足市場的需求，缺口較大，因此，各企業(yè)要求新建或擴(kuò)建苯乙烯裝置的愿望迫切。由于測控儀表對苯乙烯裝置安全、穩(wěn)定生產(chǎn)起著關(guān)鍵作用，非常有必要研究針對苯乙烯裝置特點(diǎn)的現(xiàn)場儀表的合理選型和應(yīng)用。

本文以某化工廠苯乙烯裝置為例，對苯乙烯裝置的儀表選型特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用做簡要的分析和探討。

1 裝置工藝特點(diǎn)及物料特性

乙苯絕熱脫氫制苯乙烯裝置，主要由乙苯脫氫反應(yīng)系統(tǒng)、苯乙烯分離精制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成[1]。乙苯脫氫反應(yīng)是在催化劑和水蒸氣存在的情況下，乙苯發(fā)生選擇性脫氫反應(yīng)，生成苯乙烯粗產(chǎn)品，然后進(jìn)行精餾分離等一系列加工處理，最終產(chǎn)出裝置的主產(chǎn)品-苯乙烯。

苯乙烯裝置的生產(chǎn)中具有高溫反應(yīng)、負(fù)壓精餾的特點(diǎn)，涉及的主要物料有干氣、苯、乙苯、苯乙烯、尾氣、阻聚劑等，大多數(shù)為易燃、易爆物質(zhì)；阻聚劑DNBP為劇毒類，芳烴物料有中等毒性；其中，苯對人體毒害最為嚴(yán)重。

因此，如何結(jié)合裝置工況特點(diǎn)和工藝物料特性合理進(jìn)行儀表選型是使裝置能安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證，也是做好自控設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。以下筆者將結(jié)合工況要求和物料特殊性，重點(diǎn)針對溫度、流量、液位等儀表在選型、設(shè)置方面的考慮以分析介紹。

2 采用可靠的溫度檢測，確保脫氫反應(yīng)的正常進(jìn)行

脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的升高而增加。在乙苯脫氫反應(yīng)過程中，溫度是苯乙烯裝置脫氫反應(yīng)的重要測量指標(biāo)之一。脫氫反應(yīng)器是在高溫下操作，且反應(yīng)初期、末期的溫度、及聯(lián)鎖溫度之間的變化不大，要確保精確地測量溫度，測溫元件的選擇是一個十分關(guān)鍵的要素。 在溫度元件的設(shè)計(jì)選型中以下三個方面需特別注意：

（1）選用高精度的測溫元件。溫度元件的測量精度有A、B 級，對于高溫情況下，選用符合IEC 標(biāo)準(zhǔn)高精度的K 型、R 型鎧裝絕緣型熱電偶溫度計(jì)。在設(shè)計(jì)中，確保選擇精度高、質(zhì)量好的測溫元件，排除因元件的精度誤差造成測量誤差。

（2）在多點(diǎn)熱電偶的結(jié)構(gòu)上，針對反應(yīng)器設(shè)備自帶溫度計(jì)套管的情況，配置靠壁彈簧機(jī)構(gòu)，以確保溫度的響應(yīng)時(shí)間。靠壁彈簧機(jī)構(gòu)示意圖參見圖1。

（3）在溫度計(jì)套管的材料選用上，按不同的管道材料等級，根據(jù)高溫的情況，并考慮高溫材料的價(jià)格因素，分別選用耐熱不銹鋼304HSS 選用Incoloy800HT，剛玉等特殊材質(zhì)。既保證儀表測量使用的可靠性，又滿足節(jié)約費(fèi)用的要求。

圖1 靠壁彈簧機(jī)構(gòu)示意圖

3 合理選擇流量儀表，確保不同物料流量的正確測量

苯乙烯是一種熱敏性物質(zhì)，極易自聚，隨溫度、濃度升高及停留時(shí)間的延長，自聚速率增快，粘度不斷增加，減慢其流動速度。根據(jù)裝置的介質(zhì)特性，為保證測量控制的正確性、有效性和可靠性，在流量儀表的設(shè)計(jì)時(shí)，我們注重從以下幾個方面進(jìn)行合理的選型：

（1）對苯乙烯、焦油等易聚合、高粘度的介質(zhì)，如在精餾工段，苯乙烯焦油液粘度大，選用了楔形流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。楔形流量計(jì)采用差壓原理測量流量，其檢測元件為V 形，與孔板比，有更低的永久壓力損失。

（2）對苯、阻聚劑DNBP 等有毒有害介質(zhì)化工物料的流量測量，在設(shè)計(jì)中盡量考慮選用渦街流量計(jì)等管道式流量儀表，減少導(dǎo)壓管泄漏及排放。以防止苯、阻聚劑DNBP 等有毒有害介質(zhì)泄漏對人體造成傷害，對環(huán)境帶來污染。

（3）對烴化尾氣和燃料氣的計(jì)量，通常情況下，與其他液體流量計(jì)量一樣選用了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。即利用科里奧利原理來直接測量流體流過的質(zhì)量[2]。科里奧利原理測量液體有很高的測量準(zhǔn)確度，很高的重復(fù)性，且不需要直管段，但是，測量氣體，選型還是要非常慎重。用科里奧利原理測量氣體要求氣體壓力大（氫氣測量時(shí)要幾十公斤壓力），流速不能過低也不能過高（一般低于當(dāng)?shù)匾羲俚?.5 馬赫（1 馬赫≈340 m/s））。如果用科里奧利原理測量低壓低流速氣體，不僅測量精度差，可測量程比小，重復(fù)性也差，且零點(diǎn)不穩(wěn)定，特別是管道的震動對表的影響較大；壓損較大；價(jià)格昂貴。

本裝置烴化尾氣、燃料氣的測量計(jì)量，從計(jì)量精度，價(jià)格等方面考慮，選用了可直接測量氣體質(zhì)量流量的熱式質(zhì)量流量計(jì)。

熱式質(zhì)量流量計(jì)利用熱傳導(dǎo)原理，即流動中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來測量流量，采用恒溫差或恒功率法，對氣體精確測量。熱式質(zhì)量流量計(jì)只能用在氣體，利用各種氣體對熱的傳導(dǎo)和吸收能力的不同，測量從發(fā)熱到感應(yīng)之間的熱量傳遞或者熱能損失來對應(yīng)流速。恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理參見圖2 。

圖2 恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理

該流量計(jì)精度高，靈敏度高，量程比較寬，價(jià)格低、尤其適合用于大管徑（直徑可為十多米）燃料氣體的貿(mào)易計(jì)量。其壓力損失極小，可在線插拔清洗，傳感器不易堵塞，安裝維護(hù)量小。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間通常為2～5 s，若應(yīng)用于控制系統(tǒng)不能選用響應(yīng)時(shí)間長的儀表。

科里奧利流量計(jì)與恒溫差原理熱式質(zhì)量流量計(jì)在氣體流量測量的比較見表1。

4 選擇合理的檢測方案，解決易堵問題

由于苯乙烯易聚合為不可溶苯乙烯，為防止因聚合而堵塞管道，對苯乙烯等易聚合介質(zhì)的測量一般采用以下解決方案[3]：

（1）在壓力檢測上，對苯乙烯塔、儲罐頂部等氣相壓力的測量，采用膜片密封法蘭式壓力表和壓力變送器，帶吹掃和沖洗環(huán)的方案。苯乙烯塔釜的壓力測量，引壓管采用氮?dú)獯祾叩姆绞剑苑乐构芫€因聚合堵塞而影響測量。

表1 科里奧利流量計(jì)與熱式質(zhì)量流量計(jì)比較

（2）在調(diào)節(jié)閥的選用上，采用如V 型球閥等無死區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，以防止在調(diào)節(jié)閥死區(qū)形成物料積聚聚合引起閥門無法動作而造成調(diào)節(jié)失靈。

（3）對苯乙烯塔釜的液位測量一般有兩種解決方案。一是帶吹掃和沖洗液位測量方案（參見圖3）。液位測量采用差壓變送器，用氮?dú)獯祾咭龎汗芫€，氮?dú)獯祾呖谠O(shè)置盡量不留死角，以防止因聚合而造成管線堵塞，吹掃氮?dú)馔ㄟ^穩(wěn)流調(diào)壓閥使得進(jìn)入變送器正負(fù)壓室的氮?dú)鈮毫愣ㄒ恢拢_保液位的正確測量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：測量較穩(wěn)定、可靠，價(jià)格便宜。

圖3 差壓液位變送器帶反吹氣/液示意圖

另有一解決方案是采用非接觸式的伽馬射線液位計(jì)（見圖4）。伽馬射線液位計(jì)[4]是利用能量衰減來測量液位。發(fā)射源（鈷 60 或者銫 137）放在一個注鉛的鋼制密封源罐內(nèi)，源罐放在容器的一側(cè)，一個棒狀的閃爍式探頭裝在容器的另一側(cè)。伽馬能量從源罐射出，穿過容器壁和物料上層空間到達(dá)探頭。當(dāng)物料的液位增加時(shí)，到達(dá)探頭的能量減少。此種測量方案其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是不接觸測量，降低自聚可能。它能對高溫、高壓密封容器或管道內(nèi)的腐蝕、高粘度、劇毒性的固、液態(tài)介質(zhì)進(jìn)行料位測量，采用放射源，標(biāo)定好以后幾乎可以做到免維護(hù)，無移動組件，測量穩(wěn)定，精度高，運(yùn)行可靠。但是這種儀表使用時(shí)應(yīng)在儀表周圍采用防護(hù)措施，以防止射線對人體的傷害，且價(jià)格較貴。

圖4 伽瑪射線液位計(jì)安裝示意圖

目前，苯乙烯塔釜易聚合介質(zhì)液位的測量，以上兩種方法都分別有采用。用戶可綜合考慮投資合理、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便等因素，選用合適的測量方案。本裝置采用普通差壓液位變送器帶吹掃方式來測量液位。

5 結(jié)束語

一套裝置的自控設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。儀表、控制系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性都與裝置產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗以及裝置的安全生產(chǎn)有著密不可分的聯(lián)系。但實(shí)際應(yīng)用中最容易出問題的是儀表，因此，儀表選型顯得尤為重要。儀表選型首先要考慮到測量的準(zhǔn)確性、合理性、可靠性，其次要考慮用戶使用、維護(hù)的方便。各種儀表選型方案各有利弊，合理選用可以穩(wěn)定、可靠地監(jiān)控整個裝置的生產(chǎn)運(yùn)行。并為優(yōu)化裝置操作、消除生產(chǎn)隱患、降低能耗、提高生產(chǎn)效率，長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。

[1] 蔡麗娟.苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)[J].化工進(jìn)展，2001（3）：74-78.

[2] 陸德民，張振基，黃步余，等. 石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊（第三版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3] 佟以超，苯乙烯生產(chǎn)過程中發(fā)生聚堵的原因分析及預(yù)防措施[J].遼寧化工，2006（10）.

[4] 黃承銘.放射源料位計(jì)在連續(xù)測量中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2010 (S1).