S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統開發及應用

陳利軍，李亞楠

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

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S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統開發及應用

陳利軍，李亞楠

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

汽油低硫化是一種國際發展趨勢，限制硫質量分數是生產清潔燃料和控制汽油排放污染最有效的方法之一。目前國內成品汽油的主要調和組分有催化裂化汽油、催化重整汽油、烷基化汽油、異構化汽油等，其中的催化裂化汽油占國內成品汽油的80%以上。因此，如何有效地控制催化汽油的硫質量分數是控制成品汽油硫質量分數的關鍵。為此中國石化股份有限公司引進了汽油脫硫吸附S-ZORB裝置，將催化汽油里的硫質量分數降至1.0×10-5以下，生產出符合歐IV標準的清潔汽油。

1S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統的開發內容

1.1設計目標

根據設計要求和工藝的需要，S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統需具備以下幾個方面的功能：

1) 快速取樣，提供有代表性試樣。

2) 除水、除雜質、流路切換、試樣安全切斷功能。

3) 可精確快速地分析脫硫前和脫硫后汽油中的硫質量分數。

4) 試樣回收，定量排放功能。

5) 就地聲光報警功能和報警信號遠傳功能。

6) 溫度控制功能。

7) 手動和自動控制通風換氣功能。

本區已知共生礦物57種[5](表1)，其中主要有用礦物有鉭鈮鐵礦、錳鉭礦、黑鉭鈾礦、鈮鉭錫石、鋯石等。

8) 整體防護等級IP55，部件單體防爆等級IICT4。

1.2系統組成

該系統主要由快速取樣回路、樣品處理系統、總硫分析儀、回收系統、安全監測及報警聯鎖系統、分析小屋組成。

1) 快速取樣回路。該系統中為縮短試樣傳輸滯后時間，取得代表性試樣，采用帶自清洗過濾的快速旁通回路取樣方式。

2) 樣品處理系統。該系統中工藝試樣高溫、高壓、含水、含顆粒雜質，樣品處理系統進行了針對性的減壓、降溫、安全泄壓、除水、流路切換、超高液位報警試樣切斷等，為總硫分析儀提供了潔凈、適宜的試樣。

3) 總硫分析儀。該分析儀是測量氣體或液體試樣中無機硫和有機硫總含量的儀器，總硫的儀器分析方法有許多，目前僅限于在線分析儀器的有能量和波長X射線熒光法、醋酸鉛紙帶比色法、化學發光法、氣相色譜-火焰光度法、紫外熒光法幾種。然而從實效性、精確度、不破壞被測試樣的角度來講，波長X射線熒光法是測油品中總硫含量比較理想的選擇。

4) 回收系統。在S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統中，如果試樣排放的廢油管道壓力低于試樣返回管道的壓力，那么通過總硫分析儀的試樣就可能返回到廢油管道中。當廢油管道的壓力波動較大就需要增加回收系統，將試樣排放到回收罐中，通過回收罐內液位傳感器浮控開關來控制抽提泵的啟動，將回收罐內試樣壓力增高抽回廢油管道。

5) 安全監測及報警聯鎖系統。該系統為總硫分析儀表提供安全的工作環境，為現場儀表維護人員提供保護措施，主要由可燃氣體檢測器、液位計、現場報警控制箱、現場報警燈及報警笛、樣品處理系統、聯鎖風機、報警信號遠傳等組成。

6) 分析小屋。分析小屋為系統工作提供了一個溫度相對恒定、通風狀況良好、便于操作維護的環境，同時增強系統運行和操作維護的可靠性。分析小屋集成了氣路、照明、通風、空調、配電、氣體檢測、報警等功能，工廠一體化安裝和調試，現場工程對接，實現了設備信息集成、控制應用的目的。

2成套系統的關鍵技術

2.1樣品處理系統

2.1.1樣品處理系統流程及工藝條件

樣品處理系統按照功能，可主要劃分為快速取樣回路、冷卻裝置、減壓裝置、回收系統檢測聯鎖裝置、脫水除雜等幾部分，系統流程如圖1所示。

圖1　樣品處理系統流程示意

該樣品處理系統已廣泛應用在汽油加氫含硫分析系統、柴油加氫含硫分析系統、潤滑油加氫含硫分析系統中，其部分相關工藝條件見表1所列。

2.1.2工藝計算

對照以上系統各個功能模塊中，試樣的除雜程序經過了前期的自清洗過濾除雜質和后期的膜過濾器除雜質，試樣的潔凈度可以很好地滿足儀表的分析要求，另外脫水過濾器通過納米級編織玻璃棉的分層脫水，試樣經過高精度減壓閥后，進表分析的壓力可穩定在0.1～0.2MPa，滿足了儀表穩定分析的要求。在S-ZORB裝置總硫分析儀成套在線分析系統中，對高溫試樣的溫度控制采用的是雙層盤管式水冷卻器，其結構如圖2所示。

表1　樣品預處理工藝條件及分析要求

圖2　雙層盤管式水冷卻器結構示意

雙層盤管式水冷卻器結構緊湊，容器體積小，而且換熱效果好，利于節省樣品預處理設備有限的空間，降低自重。現對該雙層冷卻器進行工藝設計計算。

1) 按以下步驟建立數學模型：

a) 傳熱速率的基本方程式：

Q=KSΔtm

(1)

式中：Q——換熱器的熱負荷，kJ;K——總傳熱系數,W/(m2·℃)；S——換熱管外表面積，m2；t——冷流體的溫度，℃。

b) 平均溫度差Δtm為對數平均值：

(2)

c) 能量衡算方程式：

Q=qmhCPh(T1-T2)=WcCPc(t2-t1)

(3)

式中：T——熱流體的溫度，℃；qm——流體的質量流量，kg/h；CP——流體的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；下標c，h——冷流體和熱流體；下標1，2——換熱器的進口和出口。

2) 盤管長度計算。與冷卻器計算相關的量為盤管的外表面積S,通過轉換計算，建立關聯。

a) 盤管總長度：

L=L1+L2

式中：L——盤管總長度；L1，L2——外、內層盤管長度。

b) 盤管外表面積：

S=πdL

(4)

式中：d——管直徑，m。

c) 螺旋管近似長度Lm：

(5)

式中：n——螺旋管圈數；p——螺距，m；D——螺旋直徑，m。

假設盤管高度為h，則n=h/p+1,合并式(1)～(5)得：

(6)

式(6)為最終的雙層盤管式水冷卻器的設計方程式，根據實際情況，與冷卻器外殼建立相應的關聯，便可以根據試樣進入儀表的適宜溫度設計出相應規格的水冷卻器。

3) 總傳熱系數K的取值范圍。換熱器的總傳熱系數K值主要取決于流體的特性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型，因而K值的變化范圍很大。在設計換熱器時，K值的來源有以下幾個方面：

a) 選用實際的生產經驗數據。在有關手冊和傳熱文獻中，都列有某些情況下K的經驗值，可供初步設計時參考，但應選用與工藝條件相仿、傳熱設備類似且較為成熟的經驗值作為設計依據。總傳熱系數的推薦值一般范圍很大，設計時可根據實際情況選取中間的某一數值。若需降低設備費可選取較大的K值；若需降低操作費用可取較小的K值。

b) 實驗查定。對現有的換熱器，通過實驗測定有關的數據，如流體的流量和溫度等，再用傳熱速率方程式計算K值。實測K值不僅為了提供設計換熱器的依據，而且可以了解傳熱設備的性能，從而尋求提高設備生產能力的途徑。

c)K值的計算。K值可由以下方程式計算得到：

(7)

式中：d0——管外徑，m；di——管內徑，m；dm——管內、外徑的平均值，m；Rsi——管內污垢熱阻，m2·℃/W；Rs0——管外污垢熱阻，m2·℃/W；λ——管壁材料的導熱系數，W/(m·℃)；b——管壁厚度，m；αi——管內對流傳熱系數，W/(m2·℃)；α0——管外對流傳熱系數，W/(m2·℃)。

由式(7)計算得到的K值往往與實際值相差較大，主要是由α計算的關聯式存在一定的誤差及污垢熱阻也不易準確估計等原因所致。在工程應用中常采用上述a)，b)兩種方式確定K值大小。

2.2樣品回收系統

回收系統主要用于收集分析儀分析后的試樣和樣品處理系統中沉降后的含水試樣等，并且通過抽提泵將廢樣排放到廢油管道。回收系統由回收罐、液位傳感器、抽提泵、泵控制器四個部分組成。

1) 回收系統的連接?；厥障到y各部件的連接如圖3所示。

圖3　回收系統結構示意

2) 液位傳感器的功能?；厥障到y中液位傳感器起著極其重要的作用，下、中、上3個浮子分別用于低液位報警、高液位報警、超高液位報警?；厥展迌纫何坏礁咭何粓缶瘯r，抽提泵會自動啟動將回收罐內試樣抽到低壓廢油管道內，待低于高報液位時抽提泵停止；當試樣不能及時排出或抽屜泵故障，回收罐內液位達到超高液位報警時，系統會向安全監測及報警聯鎖系統提供超高液位報警干接點信號，此時會通過預處理系統中的電磁閥切斷進樣，阻止危險事故的發生。

2.3安全監測及報警聯鎖系統

安全監測及報警聯鎖系統主要由可燃氣體檢測器、氧濃度檢測器、回收系統超高液位報警、風機、電磁閥、PLC等組成。可燃氣檢測器報警提供20%爆炸下限(LEL)高報、40% LEL高高報接點輸出。20% LEL高報時，報警控制箱上的報警指示燈亮并啟動軸流風機，不輸出報警信號到DCS；40% LEL高高報時，報警控制箱上的報警指示燈亮，分析小屋聲光報警器閃爍鳴笛，輸出公共報警信號到DCS，并啟動軸流風機?；厥障到y超高液位報警時，報警控制箱上的報警指示燈亮，分析小屋聲光報警器閃爍鳴笛，輸出公共報警信號到DCS并控制預處理系統電磁閥控制試樣通斷。

3結束語

S-ZORB裝置總硫分析儀成套分析系統連續不斷地對過程生產中的油品硫質量分數進行分析測量，為煉油裝置提供了安全保障，大幅降低了實驗室化驗的人力成本，也減少了含硫量不同的油品的混儲，從而間接地節約了高質量潔凈能源。同時，低硫油品的使用減少酸性氣體的排放，保護了環境。

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摘要：介紹了S-ZORB裝置的總硫分析儀成套在線分析系統的組成及開發設計內容，詳細論述了該系統中的關鍵技術及相關工藝計算方法。通過采用帶自清洗過濾的快速旁通回路取樣方式，縮短試樣傳輸滯后時間。通過快速取樣回路、冷卻裝置、減壓裝置、回收系統檢測連鎖裝置、脫水除雜等，對過程生產中的油品硫質量分數進行連續不斷的分析測量，為煉油裝置提供了安全保障，大幅降低了實驗室化驗成本，也減少了含硫量不同的油品的混儲。

關鍵詞：S-ZORB裝置總硫分析儀在線預處理系統盤管式冷卻器油品回收系統在線分析小屋

Development and Application of On-line Analysis Set-system for Total Sulfur Analyzer of S-ZORB DeviceChen Lijun, Li Yanan

(Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co. Ltd., Suzhou

Research Institute, Suzhou, 215128, China)

Abstract：The content of development and composition of online analysis integrated system for total sulfur analyzer of S-ZORB device are introduced. Key technologies of on-line analysis integrated system for total sulfur analyzer and calculation methods for related technology are discussed in detail. The sample transmission delay time is shortened by adopting fast by-pass loop sampling mode with self-cleaning filtering. The sulfur mass concentration in oil for production process is measured continuously through fast sampling loop, cooling tower, de-compressor, detection interlock device in recovery system, dehydration, edulcoration, etc. It provides safety guarantee for oil-refining installation. The analysis cost is reduced sharply, and mixing storage for oil with different sulfur content is decreased.

Key words：S-ZORB device; total sulfur analyzer; on-line pre-processing system; coiled pipe cooler; oil recovery system; on-line analysis room

中圖分類號：TP274+.5

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0057-04

作者簡介：陳利軍(1981—)，男，湖北荊門人，2004年畢業于武漢工程大學過程裝備與控制專業，獲學士學位，現就職于天華化工機械及自動化研究設計院有限公司蘇州研究所，研究方向： 在線分析儀表的成套分析系統，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-09，修改稿收到日期： 2015-04-03。