化工裝置循環取樣系統的設計

鐘金杭

(中石化寧波工程有限公司上海公司，上海 200030)

在石油化工生產過程中，為了確定產品是否合格，裝置運行是否平穩，往往需要通過取樣分析，根據數據的分析結果及生產需要，及時調整操作方案，保證裝置安全、穩定運行。而如何及時、準確、安全、方便地得到具有代表性的樣品，同時又能降低設備成本，是化工設計人員應慎重考慮的問題。本文結合某醋酸乙烯和聚乙烯醇裝置改造項目中現場出現的取樣系統問題，提出循環取樣系統設計的一些思路和看法。

1 取樣系統的分類

對于目前大部分石油化工裝置，所處理的介質均為連續流體。對于氣體和液體介質的取樣系統，根據取樣管道中介質的物料性質，取樣系統可分為兩大類:開放式取樣系統和密閉式取樣系統［1］。當取樣介質屬于極度危害和高度危害介質，甲類可燃氣體，液化烴時，應采取密閉式取樣系統。其他可以采用開放式取樣。

2 現場取樣系統的問題

(1)現場部分已經安裝的密閉取樣器設有取樣回路循環，取樣器回流口管線需安裝在比進樣口管道壓力低的管線上(回流物料管壓力＜取樣管線壓力－取樣損失壓力)，但根據現有工藝流程，取樣系統進出口壓差較小，而密閉取樣系統壓降較大，無法實現取樣循環，故現場只能將回路用盲板封住。而且此類型取樣器因裝置沒有設計廢液系統，氮氣吹掃殘液至吸附罐后吸附罐容易積滿。如圖1所示。

圖1 密閉取樣器流程

(2)現場開放式取樣入口管線配管過長，導致取樣時放掉管道中的死樣時間過長，浪費原料，并且環保安全方面達不到要求。

圖2 聚合物取樣器流程

(3)現場已安裝的聚合物密閉取樣器形式，其流程如圖2所示，進出口取在同一管道上，并且主管上幾乎無壓差，所以樣品在取樣系統里無法進行循環，并且這種形式取樣的是聚合物，取樣口徑太小無法取出高黏度聚合物。通協商后確定了以下的整改原則及方案。要實現完全的循環密閉取樣，取樣進出口必須有一定的壓差，或者有排放的廢液系統。因聚乙烯醇裝置未設置廢液系統，如果再加個廢液系統，投資成本大，而且此裝置殘液含聚乙烯醇，聚醋酸乙烯，聚合物粘度大，容易堵塞管道，不能與其他取樣液混在一起。考慮到醋酸乙烯和聚乙烯醇裝置的取樣介質為醋酸、甲醇等非高度危害介質，同時操作壓力和溫度不高，為了不耽擱開車進度，同時降低成本，經過與業主充分討論研究后，為達到安全環保要求以及減少取樣損失，擬對原“開放式”直接取樣的取樣系統改為采用“循環式”取樣方式，已安裝的密閉取樣器進出口配在同管線上有壓差的位置，繼續投入使用。取樣位置的設計，需根據取樣位置的工藝流程，在不改變物質組分的前提下，找出有壓差的位置，一般設置在調節閥組或泵進出口等有有明顯壓降的地方。

取樣器形式分為:帶取樣冷卻器型(SCE型見圖3)和普通型(SCD型見圖4)。

3 循環取樣系統的設計

3．1 “循環式”取樣流程整改

鑒于取樣系統存在的以上問題，經與取樣器廠家及業主溝

圖3 帶取樣冷卻器型(SCE)

圖4 普通型(SCD)

考慮到取樣人員的操作安全，介質操作溫度高于等于60℃的取樣點需設置取樣冷卻器，以降低樣品溫度，避免取樣人員燙傷。

取樣針型閥和三通用絲扣連接，方便拆卸更換。因取樣人員取樣時都要用樣品刷洗三次取樣瓶，所以三通與絲扣之間的殘液，最終不會進入到需要分析的樣品里，對于刷洗取樣品的廢液統一回收處理。

3．2 流量計算和管徑選擇

循環取樣系統中流量與所選的管徑有很大關系，其他條件相同情況下，取樣系統的管徑越小流量越小，但也不能太大，不然分配至取樣系統的流量占主管流量比例大，影響調節閥調控或者損失泵的能耗，并且會對主物流管線引起較大的波動。鑒于本裝置幾處取樣點，工藝管線流量均較小，一般在0．3～10 m3/h，為了盡量減少取樣系統對工藝管線的影響，需要對取樣系統的流量進行核算，合理設置取樣系統。

取樣系統進出口如與調節閥組進出相連接上，可以看作是并聯管路，而由于系統操作壓力較低，正常運行時調節閥壓降為較小通常在50 kPa左右。如圖5所示，即取樣系統中的壓降與調節閥壓降相同，假定為50 kPa，通過取樣系統的壓降可以估算出取樣管路的流量。

圖5 調節閥組的取樣示意

假定取樣系統管路里最小管徑為DN10，根據SH/T 3405－2012標準，壁厚取 SCH40S，即為 φ17．1 mm ×2．31 mm 的不銹鋼鋼管，介質密度900 kg/m3，管壁絕對粗糙度ε=0．20 mm，管長6 m，90℃彎頭6個(當量長度Le=30D)，截止閥2個(當量長度Le=340D)，三通1個(當量長度Le=30D)，假設流動進入平方區，取初值λ=0．04562;

進口突然縮小，ξ=0．5;

出口突然擴大，ξ=1．0;

取樣進出口列機械能衡算式［2－3］

Re＞4000，進入湍流區。試差法求解摩擦系數。

得出 λ=0．06382，與假設值相同，所得流速 u=1．32 m/s，質量流量w=523 kg/h。

同樣方法可以計算出其他管徑時，取樣系統的流量。

當管徑取 DN6時，即為 φ10．3 mm ×2．41 mm，流速 u=0．93 m/s，質量流量 w=71 kg/h。

當管徑取 DN8時，即為 φ13．7 mm ×2．24 mm，流速 u=1．18 m/s，質量流量 w=254 kg/h。

當管徑取 DN15時，即為 φ21．3 mm ×2．77 mm，流速 u=1．43 m/s，質量流量 w=903 kg/h。

從計算結果可以看出，以上管徑的取樣系統的流量都能滿足現場一天取兩次新鮮樣的要求。假設主管路的流量為10000 kg/h，那各取樣管徑下的流量占總流量比例如表1所示。

表1 各取樣管徑下的流量占比

從表1可以看出取樣管徑越大，取樣系統里流量占總流量百分比越大，取樣管徑DN10以下的流量占總流量比例在5%以下，不影響調節閥的調控，但出于裝置安全和焊接等施工難度，材料專業建議盡量使用大的，所以取樣管徑選用DN10。但有個別設置取樣點的工藝管線流量在10000 kg/h以下，那就需要截止閥調節流量，使取樣管流量不影響調節閥的調控。

對于取樣點在泵進出口位置的系統，如圖6所示，泵進出口壓差最大值為0．44 MPa，最小值為0．1 MPa，忽略泵進出口球閥止回閥管件等阻力損失，假設取樣系統進出口壓降最大值0．44 MPa，最小值為0．1 MPa，其他條件和計算過程同上面的調節閥組取樣系統DN為10的流量計算，計算結果與主管路的流量10000 kg/h占比如表2所示。可見隨著壓降的增大，取樣系統流量也增大，當取樣系統進出口壓降最大值0．44 MPa，占總流量百分比為15．62%，不僅耗能浪費而且取樣也較易影響系統穩定操作，建議主管路流量在10000 kg/h以下時，截止閥閉合一半以上，主管路流量在10000 kg/h以上時，根據壓差適當調節取樣管流量。

表2 各壓降下的流量占比

圖6 泵進出口的取樣

對于取樣入口壓力較大。考慮后系統和操作安全需要減壓。常用自力式調節閥減壓保證后系統和取樣的穩定和安全。筆者認為取樣入口加限流孔板也可起到降壓作用、同時限制一定的流量范圍內。而且限流孔板結構簡單、制造成本低、易加工、安裝方便、已在化工裝置很多方面得到了充分的應用。

4 結論

從安全環保及減少取樣損失的角度，盡量采用密閉循環取樣的方式進行取樣。合理設置循環取樣系統取樣點位置，取樣進出口應盡量設置在有壓差的位置，一般設置在調節閥組或泵進出口等有有明顯壓降的地方。

當設置取樣點的工藝管線流量較小時，取樣系統的壓降和管徑對流量影響很大，應合理的考慮取樣系統管徑和流量的大小，既要保證安全方便快捷得取得新鮮樣品，同時要充分考慮占主管流量比例大小，避免過大影響調節閥調控或者損失泵的能耗，影響系統穩定運行。