聚丙烯環管反應器中氫氣在線監測的改進

李若巖，陳建敏，劉勇輝，景麗，彭蓉

(1. 中國石油蘭州寰球工程公司，蘭州 730060；2. 中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

?

聚丙烯環管反應器中氫氣在線監測的改進

李若巖1，陳建敏1，劉勇輝1，景麗2，彭蓉2

(1. 中國石油蘭州寰球工程公司，蘭州 730060；2. 中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

摘要：針對聚丙烯裝置環管反應器內氫氣濃度測量采樣周期偏長、分析結果相對滯后、無法生產高附加值產品的問題，設計了單流路和雙流路兩種技術方案。通過比較得出，單流路方案中，2臺色譜分析儀與一環二環反應器一一對應，當其中1臺色譜儀或某個預處理系統發生故障時，另1臺色譜儀仍能通過控制流路切換閥分析雙環反應器中的氫氣濃度，實現了2臺色譜儀的相互備用，準確控制聚丙烯反應中的氫氣加入量，可靠性更高。

關鍵詞：聚丙烯裝置環管反應器氫氣在線監測氣相色譜儀

蘭州石化公司300kt/a聚丙烯裝置采用氣相反應工藝在環管反應器進行連續聚合生產抗沖聚丙烯，該生產過程的能耗、物耗低，最多可以生產103個牌號的聚丙烯產品。在聚丙烯雙環反應器中，準確控制丙烯聚合反應中的氫氣加入量是生產不同牌號聚丙烯產品的重要手段和依據。反應器內的主要組分包括氫氣、乙烯、丙烯、丙烷、丁烷五部分，其中氫氣為微量組分，需通過借助在線過程氣相色譜儀(以下簡稱在線色譜儀)才能準確測得其含量，在線色譜儀的檢測器為熱導式[1]，它是一個內裝4個錸鎢絲的不銹鋼池體，4個錸鎢絲組成一個惠斯頓電橋，2個通過載氣為氮氣(參比臂)，另2個通過色譜柱流出的氣體(工作臂)。由于被測介質的導熱系數和載氣的導熱系數不同，導致工作臂的電阻不同于參比臂，惠斯頓電橋就輸出與被測介質濃度成正比的信號[2]。

該裝置于2006年10月23日成功投產運行以來，主要以生產T30S料為主，原設計為一環和二環共用1臺在線色譜儀(AT-2001)，色譜儀按周期對2個反應器輪流采樣分析。由于采樣周期偏長，分析結果相對滯后，在生產T38F，PA14D等一些高端產品時，無法精確控制丙烯聚合反應過程中氫氣的含量，從而導致無法精確生產出合格的目的產品。考慮通過快速、準確地分析雙環反應器中的氫氣加入量，達到準確控制聚丙烯反應中的氫氣量，生產質量合格的高端聚丙烯產品的目的，以提高產品的附加值和市場競爭力。

1聚丙烯雙環管反應器內氫氣在線色譜儀檢測現狀

由于該聚丙烯裝置雙環反應器中氫氣在線監測分析共用1臺在線色譜儀，在工藝生產與色譜儀監測分析運行使用方面存在部分問題。

1.1工藝生產中存在的問題

1) 生產高端聚丙烯產品時，色譜分析儀采樣周期長，分析數據滯后于工藝過程，導致無法準確控制氫氣加入量，從而影響產品的質量。

2) 一環加氫量少，二環加氫量多，一環二環共同使用1臺色譜儀進行反應器中氫氣含量的檢測，分析頻次低，氫氣調整時間長，導致聚丙烯生產中的過渡料增加。

3) 在生產雙峰產品過程中，由于一環氫氣加入量較少，所以丙烯回收系統、原料系統、氫氣進料或者精制系統稍有輕微的波動，都會引起一環反應器操作參數的波動,從而影響產品質量和穩定性。

1.2色譜儀運行中存在的問題

1) 樣氣流路切換頻繁，一環和二環中氫氣含量的量程范圍不一致，需要經常變換色譜儀的量程范圍，影響到系統的穩定操作。

2) 樣氣流路切換過程中，可能在一段時間內，氫氣含量分析數據不更新或者顯示為零。

3) 預處理系統雙通雙阻斷閥動作頻繁，易發生故障。

為解決上述問題，有必要新增1臺在線色譜儀，以滿足縮短采樣時間、增加分析頻次的要求。通過實測值和目標值及時進行對比，及時調整反應器中氫氣量，從而更準確地控制反應過程，減少過渡時間，降低生產波動，獲得更高的經濟效益。同時，也能防止出現因流路切換和多量程切換所引起的數據不準和色譜儀部件故障問題。

2環管反應器內氫氣檢測改造設計方案

2.1基礎設計數據

環管反應器基礎設計數據見表1所列。

表1　基礎設計數據

2.2雙環反應器工藝條件及試樣組分

1) 反應器中H2工藝條件分析見表2所列。

表2　反應器中H2工藝條件分析

2) 一環試樣組分見表3所列。

表3　一環試樣組分

3) 二環試樣組分見表4所列。

表4　二環試樣組分

2.3在線色譜儀工作過程

原在線氫氣濃度分析系統由采樣探頭、現場減壓站、樣品預處理系統和色譜儀四部分組成。首先試樣通過一環和二環2個根部帶關斷球閥的可插拔式采樣探頭后，分別送入各自現場減壓站進行處理。在減壓站中，試樣經過過濾、氣化減壓到0.138～0.206MPa。氣化后的試樣經過伴熱管線被送到樣品預處理系統中[3]。反應器一環和二環2個取樣流路共用1個樣品預處理系統，各流路試樣首先通過安全閥，然后通過關斷球閥進入旁路過濾器。試樣經過以上穩流、穩壓、過濾處理后，被分為兩部分，一部分進入快速旁路以加快分析速度，另一部分經過樣品流量計進入AT-2001色譜儀進行分析,測得試樣中氫氣的含量[4]。不同流路試樣的切換是通過色譜儀控制雙通雙阻斷閥動作的方式實現。AT-2001的工作過程如圖1所示。

圖1　在線色譜儀AT-2001工作過程示意

2.4新增在線色譜儀技術方案[5]

本次在聚丙烯環管反應器新增1臺在線色譜儀的目的是解決一環和二環共用1臺在線色譜儀分析所引起的采樣周期過長的問題，從而準確快速測得反應器的氫氣含量，并能在其中1臺在線色譜儀發生故障時，另1臺仍能分析雙環反應器中氫氣的含量，更好地滿足聚丙烯工業裝置的生產需要。

據目前實際生產情況，雙環反應器有2個采樣探頭及2個現場減壓站，這部分是各自獨立工作的，不做改動。本次技術改造設計了兩個方案，方案一為增加1臺單流路在線色譜儀，方案二為增加1臺并行在線色譜儀。

2.4.1新增1臺單流路在線色譜儀

新增1臺單流路在線色譜儀AT-2002和1套預處理系統。具體的改造方案是樣品進預處理系統前，在管路上各接入一個側線，側線上各裝1個可調流量的樣品流量計，側線流路管線和原流路管線各裝1個三通閥，樣氣通過流量計分別進入預處理系統，經過處理后再送入AT-2001和AT-2002進行分析。改造方案一如圖2所示，圖中虛線部分為預處理系統新增部分。

圖2　改造方案一示意

在正常工作時，AT-2001控制原預處理系統2個取樣流路的切換閥，一環流路處于打開狀態，二環流路處于關閉狀態；AT-2002控制新預處理系統2個取樣流路的切換閥，一環流路處于關閉狀態，二環流路處于打開狀態，雙環反應器中一環樣氣進入AT-2001分析氫氣含量，二環樣氣進入AT-2002分析氫氣含量，實現了一對一的分析，從而達到了縮短分析周期和增加分析頻次的目的。

當其中1臺色譜發生故障時，另1臺色譜仍能通過控制流路切換閥，分析雙環反應器中氫氣含量，實現2臺色譜的相互備用，滿足裝置生產對色譜數據的基本要求，也便于維護單位的日常維護工作。

2.4.2新增1臺并行在線色譜儀

新增1臺并行在線色譜儀AT-2002，改造方案是雙環反應器試樣進預處理系統后，在旁路過濾器和雙通雙阻斷閥之間的管路上分別接出一個側線，側線流路管線和原流路管線各裝1個三通閥，側線上各裝1個球閥和1個可調流量的流量計，2路試樣通過流量計進入AT-2002進行同時分析。改造方案二如圖3所示，圖中虛線部分為預處理系統新增部分。

圖3　改造方案二示意

在正常工作時，由于AT-2002并行在線色譜儀具有相互獨立的進樣口和樣品處理分析系統，所以具備同時分析雙環反應器中氫氣含量的能力，從而縮短了采樣時間，增加了分析頻次，而AT-2001將被停用；在并行色譜儀發生故障時，AT-2001再被投用，用以分析雙環反應器中氫氣含量，實現了2臺色譜儀備用的目的。

采取該種改造方案能滿足裝置生產的需要，消除原設計2個流路共用1臺在線色譜儀的不足之處。同時，該方案還有很強的可操作性，它對采樣探頭、現場減壓站不做任何改動，并充分利用了原預處理系統的快速回路、放空、標準氣等部分。

經專業人員的研究討論，考慮到方案一、方案二都能滿足生產實際的前提下，方案一中，2臺在線色譜儀都運行工作；而方案二中，1臺并行在線色譜儀運行，原單回路在線色譜儀備用不運行。方案一更能適應其中1臺發生故障的情況，可靠性更高，故按方案一實施。

2.5在線色譜儀遠傳數據在DCS的組態[6]

改造后，2臺色譜儀分析數據遠傳至聚丙烯裝置DCS，氫氣分析結果以4～20mA點對點方式傳送給DCS并實現信號選擇功能。

3結束語

該項目設計了單流路、雙流路兩個技術解決方案，通過對兩個方案的比較，選擇采用單流路方案。該方案實施后，AT-2001分析雙環反應器中一環氫氣的含量，AT-2002分析雙環反應器中二環氫氣的含量，2臺色譜儀正常工作時，不用流路切換，改造后采樣分析時間縮短50%以上，解決了因采樣周期長而引起的氫氣分析數據滯后的問題，同時，2臺色譜儀可以相互備用，當其中1臺發生故障時，另1臺仍能分析雙環反應器中氫氣的含量，從而更好地服務于裝置生產。新增在線色譜儀有效提高了裝置生產高端產品的質量，減少轉牌號時過渡料的產生，保證裝置的平穩生產，減少原取樣流路切換時給生產帶來的波動。該方案自2012年8月實施以來，取得了良好的應用效果。

參考文獻：

[1]中國寰球化學工程公司，中國五環化學工程公司.HG/T 20507—2000自動化儀表選型設計規定[S].北京： 中國計劃出版社，2001.

[2]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.

[3]趙永登，郭維真，文濤.SH 3126—2001石油化工儀表及管道伴熱與隔熱設計規范[S].北京： 中國石化出版社，2002.

[4]傅若農.色譜分析概論[M].北京： 化學工業出版社，2005.

[5]南化集團公司設計院.HG/T 20512—2000儀表配管配線設計規定[S].北京： 中國計劃出版社，2001.

[6]悍春，葉向東.SH/T 3092—1999石油化工分散控制系統設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，1999.

中圖分類號：TH833

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0071-03

作者簡介：李若巖(1982—)，男，甘肅武威人，2014年畢業于蘭州交通大學控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中國石油蘭州寰球工程公司設計院自控室，從事石油化工自控工程設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-12-24，修改稿收到日期： 2015-03-18。