EO/EG裝置氧表預處理系統的改進①

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有限公司)

EO/EG裝置氧表預處理系統的改進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有限公司)

針對EO/EG裝置氧表預處理系統在實際應用中存在的問題,對原預處理系統中減壓閥、流量報警設備設置不合理，造成氧表測量值頻繁波動影響工藝生產的問題進行了相應改造，改造后的預處理系統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 環氧乙烷(EO) 乙二醇(EG)

國內某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壓力、流量波動 ，導致進樣壓力難以穩定，引起測量值波動，無法達到設計精度，工藝難以操作。為了優化工藝生產，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高效。

1 EO/EG裝置簡介

乙二醇裝置主要由環氧乙烷(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，生成環氧乙烷：

該化學反應的副反應同時進行,反應式如下：

C2H4+3O2→2CO2+2H2O

副反應生成的CO2用碳酸鹽溶液吸收并將它從循環氣體中除去,反應式如下：

CO2+K2CO3+H2O→2KHCO3

在上述反應中,將甲烷作為致穩劑加入到循環氣中,用以提高爆炸下限和氧在反應器進料中的允許濃度,同時為了得到環氧乙烷的最佳收率,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氧乙烷與水按一定比例送入乙二醇反應器，反應生成乙二醇。再經蒸發、脫水、精餾得到產品乙二醇：

C2H4O+H2O→C2H4(OH)2(乙二醇)

環氧乙烷反應器是全裝置的關鍵,主要控制參數為：入口乙烯濃度30%，入口氧氣濃度8%。

在反應器集中安裝在線分析儀器：在線質譜儀一臺，用于監控4路氣體的9種組分； 在線磁氧表4臺；在線色譜一臺。反應器兩路切換，整個反應器部分多達36個停車聯鎖，其中氧表的濃度是最重要的監測參數[1]。

2 氧表在工藝中的作用

在氧化反應中，氧濃度是一個關鍵的監測參數，氧濃度過低，乙烯轉化率下降；氧濃度過高，乙烯轉化率上升，但環氧乙烷的產量并不明顯提高；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器進、出口的氧濃度是非常重要的。氧化反應器中氧的摩爾濃度應控制在8.0%(甲烷致穩)或6.8%(氮氣致穩)以下。測量值穩定且小于8.0%(如果大于8.0%，裝置停車并難以控制加氧量的操作，而且中間產物環氧乙烷反應活性高，爆炸極限寬為3%～100%)，為了防止可燃性混合氣體的形成，廣泛采用聯鎖系統加以保護。乙烯氧化反應系統的安全關鍵是氧氣的濃度是否正常，為了能準確顯示氧氣濃度，反應器入口設計3臺氧分析儀，反應器出口設計一臺氧分析儀，其中3臺組成三取二冗余系統，分析結果進入DCS和SIS系統，工藝異常時實施緊急剎車控制。其中任何一臺高報警就聯鎖停氧氣混合站(OMS)。所以任何設計不當、設備材料選擇不妥、安裝差錯，都會導致裝置停車甚至引發著火、爆炸。工藝壓力的波動，會引起氧表預處理箱內壓力、流量的波動 ,從而導致進樣壓力難以穩定，引起測量值波動，造成工藝難以操作。

3 氧表在反應控制中存在的問題

圖1統計了4個月氧表AT-1501、AT-1502由于測量數值波動而產生的維護量。

圖1 儀表維護量統計圖

由圖1可以看出氧表流量計波動調節維護量占總維護量的55%。經過分析認為，氧表頻繁波動是因為儀表預處理設計上存在問題。

流量計安裝位置不合理，調節流量計會產生背壓，將流量計由原表后位置移至表前。流量開關原設計在表后，流量開關具有很強的節流作用，放在表后會產生較大的背壓，導致儀表測量氣室壓力不穩定，并且流量開關會導致流量波動，拆除流量開關試驗。氧表的測量氣室出口一般會設計直排大氣，以避免背壓對測量氣室內部的壓力造成影響而產生測量偏差，原設計中將流量開關和流量計均安裝在儀表出口之后，流量計和流量開關的結構中均有節流作用很強的針閥，為保證流量開關設定的流量報警點符合要求，必須將內部的針閥關小，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。

假設氣路系統是在理想情況下，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，壓強就減小；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，靜壓力將會較小；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小；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，將可能會產生背壓的部件安裝在儀表出口的設計是不合理的。

改造前的預處理系統如圖2所示。

4 改進措施

對于第3節出現的情況有兩種解決辦法：方案一，增設表前穩壓閥、穩流閥和表后背壓穩壓閥、穩流閥；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定，是儀表理想的測量工況，但是由于工藝生產安全的要求，需要控制樣品滯后時間在15s以內，若增設這些穩壓、穩流設備樣品滯后時間會超出設計要求，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。流量開關按工藝要求也要置于表后，但無法選到合適的不會產生背壓的流量報警設備，經過與工藝人員商討，將流量開關移至表前，然后加強巡檢關注表后流量計的示數即可，改造后預處理系統如圖3所示。而且儀表測量室如果漏氣，流量開關不報警，但流量計示數會下降，而且儀表測量值也會下降，不會造成裝置聯鎖停車，工藝人員關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鎖OMS停車，同時工藝人員加強對氧測量值的關注度，加強巡檢，不會發生安全問題。

圖2 改造前預處理系統簡圖

圖3 改造后預處理系統簡圖

5 改造效果

改造后氧在線測量值與同一點的質譜儀數據僅差0.02%，可靠性大幅增加。測試樣品滯后時間并現場模擬壓力、流量波動對氧表測量值的影響,發現樣品滯后時間合格，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。 穩定氧表，減少波動，避免工藝因氧表波動而聯鎖停車，造成產量損耗。同時為工藝的平穩生產提供了可靠保證和技術支持。

6 結束語

主要闡述了國內某大型乙烯EO/EG裝置中，氧表在生產過程中出現的問題、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，找到了問題的癥結所在；最后，找到了解決問題的方案。通過實驗并在實際中應用，經過一段時間的統計和數據分析，發現改造后，效果明顯，既降低了工作強度、人工成本，又保證了系統的安全、經濟運行。

[1] 錢耀紅，李亞楠.在線分析小屋系統在EO裝置中的應用[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。

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1000-3932(2017)03-0319-04

2016-08-16，

2017-01-11)