PAC 在線微量蒸餾測定儀在催化裝置上的應用

蔣學寧

（南京金陵石化建筑安裝工程有限公司）

煉油催化裝置的主要產品之一為粗汽油。 汽油的干點是產品質量的重要指標，直接決定汽油的質量是否合格，對工藝參數的調整具有重要的指導意義。 未安裝在線微量蒸餾測定儀之前，汽油的干點只能通過人工定時采樣化驗分析獲得，生產車間根據人工化驗的結果對工藝參數進行適當的調整，使汽油的干點維持在要求的控制范圍內。 由于人工采樣間隔時間長，化驗結果滯后，在此期間產品質量的波動情況操作人員也無法知曉，所以只能憑經驗和理論上的干點值進行相關的控制操作。 為了確保汽油的質量，操作人員通常采取保守的控制操作，使汽油的干點適當地遠離質量指標，這樣必然會對裝置的經濟效益帶來負面影響。

在生產過程中油品的全餾程是油品質量和應用性質的重要指標，它能夠反映油品輕重成分的分布情況。 如果能及時準確地獲得這一信息，生產操作人員就能夠掌握全塔各類產品的分配比例和質量情況，及時調整塔內溫度、壓力及回流量等參數，使各組分在保證質量的前提下處于最佳的分配狀態，從而使企業獲得更大的經濟效益。

1 PAC 在線微量蒸餾測定儀

在線微量蒸餾測定儀能實時對催化裝置生產過程中的汽油進行全餾程分析，并將檢測到的數據實時顯示、儲存并輸出到DCS，實現生產過程在線質量監測。

某催化裝置于2016 年5 月安裝MicroDist 在線微量蒸餾測定儀系統，并于當月調試完成投入運行。 MicroDist 采用ASTM D7345 方法，直接關聯輸出ASTM D86 結果。 儀表標配4 路4～20mA輸出，可以通過組態輸出從初餾點到終餾點任一點的溫度。

1.1 MicroDist 的技術參數

MicroDist 的測量精度等同甚至優于ASTM D86，其他相關參數如下：

分析周期 小于10min

溫度范圍 20～400℃

重復性 ±1.5℃

儀表風壓力 不低于0.4MPa

工業氮氣壓力 不低于0.4MPa

1.2 工作原理

當樣品溫度達到某一數值， 使樣品各組分的蒸氣分壓之和恰好與外壓（大氣壓）相等，油品即開始沸騰。 測定經校正的毛細管氣體的壓力變化，計算餾出體積。 樣品開始蒸發，壓力從零開始突升的點為初餾點（IBP），樣品完全蒸發，壓力恢復到初始壓力的點為終餾點（FBP）。 基于熱力學方程，通過得到的壓力隨時間變化的曲線，可計算得到餾出體積。 通過體積和壓力數據，可以計算出ASTM D86 結果。

1.3 MicroDist 的運行流程及常見問題

1.3.1 運行流程

MicroDist 的運行流程如圖1 所示，流程分為4 個階段：沖洗、采樣、蒸餾和數據進程。其中沖洗階段發生在每次做樣前和做樣后，被測樣品進入MicroDist 定量管后，通過電子冷卻單元對樣品進行冷卻。 進入沖洗階段時，氮氣將冷卻后的樣品打入燒瓶，對燒瓶內的油溫進行冷卻，然后排空，如此循環，直到燒瓶內的油溫達到設定溫度才進入采樣階段。 樣品采集完成初始化后，對燒瓶進行加熱，在經過一個完整的蒸餾過程后，經過計算得到相關數據并進行保存，之后再次進入沖洗階段，以此循環。

圖1 MicroDist 的運行流程

1.3.2 常見問題

從MicroDist 的運行情況來看，最常出現的問題大多都在沖洗階段，而最主要的有兩個——溫度問題和氣密問題。

1.3.2.1 溫度問題

理論上要求進入微量蒸餾測定儀的樣品溫度最好比初餾點低10℃以下，如果進來的樣品溫度過高，盡管儀表內有電子冷卻系統，但由于其冷卻能力所限，很可能無法將燒瓶內的油溫降到設定的蒸餾起始溫度，進而無法進入下一步的蒸餾程序。 即便人為提高蒸餾起始溫度的設定值，儀表也會因為無法找到初餾點而報錯。 對于初餾點只有30℃左右的汽油來說，如何將50℃的樣品溫度降到20℃左右，是首先要解決的一個問題。

1.3.2.2 氣密問題

根據儀表的工作原理，可知微量蒸餾測定儀的測定是利用經校正的毛細管氣體的壓力變化計算餾出體積，所以對氣路部分的氣密性要求非常高。 每次做樣前都要對儀表的氣密性進行檢測，在做氣密性檢測時，每次只允許氣壓有幾毫巴（1 巴=105帕）的降幅，否則會認為儀表氣密性不合格而報錯。

PAC 微量蒸餾測定儀氣路復雜，氣路各部件由軟管和快速接頭連接，且進油路部分三通閥和六通閥的內漏也會對氣路造成影響。 因此在實際使用過程中，查找漏點是儀表維護過程中工作量最大的環節。

2 系統構成

整套在線微量蒸餾測定儀系統由MicroDist在線微量蒸餾測定儀、預處理系統、回收系統和分析小屋構成。

2.1 預處理系統

預處理系統結構如圖2 所示。 為減少測量的滯后時間，樣品在進入預處理箱之前先進入一個快速流路， 快速流路中的樣品不需要進行處理，只需在快速流路中安裝一個自清洗三通過濾器F，將過濾后的樣品引入預處理箱。

圖2 預處理系統結構

為防止樣品汽化，一定要采取先降溫后減壓的方式。 原設計中樣品進口溫度為40℃，初餾點為33℃，因此在原設計方案中采取的是VORTEX旋風冷凝的方式對樣品進行降溫。 但實際投用時，樣品溫度經常在50℃以上，初餾點的實測值一般都在28℃左右。 因此原設計的冷卻效果達不到儀表的運行要求，尤其在夏季，儀表無法正常運行。 由于催化裝置有一套過冷水系統，因此筆者對原預處理進行了改造，在樣品進入預處理前增加了一個水冷器， 冷卻水在夏季采用過冷水，其他季節采用裝置的循環冷卻水。 改造后效果非常理想。

冷卻后的樣品降至20℃左右，經過降壓穩流后進入MicroDist。 由于MicroDist 還需樣品對蒸餾組件的出口進行降溫冷卻，因此樣品的流量不能過低， 實際使用中將樣品的流量控制在15～20L/h。 但流量也不宜過大，過大的流量會增大預處理冷卻負荷，同時對測量也會產生影響。

樣品經過MicroDist 后返回預處理箱，通過背壓閥穩壓后排至回收系統。 在實際應用中，將減壓閥調至4bar，背壓閥調至1.5bar 左右。 另外還需說明的是， 儀表還有兩路排口需引入回收系統：一路是帶液的廢氣；一路是儀表內部冷凝的廢液，這路廢液一定要自流到回收系統。 這部分的流量約為2L/h。

2.2 回收系統

回收系統主要由不銹鋼回收罐、 帶控制觸點的磁翻板液位計和兩個進口防爆泵構成， 其結構如圖3 所示。 儀表產生的廢油由于壓力低，無法返回工藝管道中，只能先用回收罐進行收集。當回收罐中的液位達到上限時，控制系統啟動泵，將油打回指定的工藝管線中， 當液位下降至下限時泵停止工作。 兩臺泵一備一用，手動切換。 磁翻板液位計還帶有上上限觸點， 當在用的泵工作不正常時會造成回收罐液位持續上升， 當液位超過上限達到上上限時，控制系統會讓兩臺泵同時工作。

2.3 分析小屋

分析小屋布置如圖4 所示。 分析小屋為不銹鋼材質，MicroDist 安裝在小屋內， 預處理系統和回收系統安裝集成在小屋外。 小屋內照明、開關、接線箱、排風扇和空調系統均為防爆產品。 小屋接有CO 和可燃氣報警儀，PLC 控制系統安裝在防爆箱內，小屋排風扇每15min 自動啟動，將小屋內的空氣置換一次。 MicroDist 為正壓防爆儀表，引入分析小屋的儀表風和氮氣壓力均不能低于4bar。

3 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統投用注意事項

MicroDist 在投用時要注意儀表參數設置中起始溫度的設置，前文已經說明要確保儀表長期穩定工作，其蒸餾起始溫度最好設定在低于初餾點10℃左右， 夏季起始溫度可以略微上調一些。具體做法是， 進入儀表SETUP→DISTIL→DETAILS→PARAM 菜單，將Start Tmp 改為手動，設定溫度低于初餾點10℃左右即可。Start Tmp 溫度也不宜設置過低，原因是儀表電子冷卻單元冷卻能力有限，溫度設置過低會造成儀表無法降到指定溫度而不停地進行降溫循環。

圖3 回收系統結構

圖4 分析小屋布置圖

由于MicroDist 的蒸餾體積只有10mL， 因此測量周期較短，一般10min 左右就能得出一個結果。 在本裝置中只輸出一路FBP 數值，數值比同時間質檢中心的數據低2℃左右， 但數據的歷史趨勢與質檢中心的數據完全一致。 在儀表的偏移量設置中將FBP 上調了2℃， 儀表的測量數據和質檢中心同時期的數據偏差一直沒有超過1℃，質檢中心也因此大幅降低了采樣頻率。

4 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統改進方案

MicroDist 在線蒸餾測定儀系統在催化裝置中應用情況良好，給工藝生產提供了非常有效的技術指標。 根據實際應用情況，本系統還可以有一些改進方案。

相對于低初餾點的汽油而言，有效地降低進儀表前的油溫是一個非常重要的環節。 在本系統中，由于設計對工藝條件的誤判，造成原降溫系統不能滿足儀表的需求，盡管后來采用過冷水冷卻方案解決了該問題，但由于不是每個裝置都會有過冷水，因此這個方案的適用范圍有限。 后來在其他裝置上采用了防爆電制冷的方案，電制冷后的冷卻水溫度即便在夏季也能達到10℃以下，所以盡管后來的裝置油溫均超過了設計溫度，但用電制冷后的冷卻水對油溫進行降溫，有效地解決了這個問題。

樣品經過預處理進入儀表的流量大約為20L/h，儀表如果長期穩定地運行，每天會有幾百升的汽油進入回收罐，這些汽油都是未被污染的產品。同時儀表本身還會有約2L/h 的廢油進入回收罐。 這兩種油品若在回收罐中混合只能按廢油處理，造成浪費。 由于儀表本身對壓力要求不高，所以只需將廢油引入回收系統，另一部分未污染的油品可以采用適當調大背壓閥的方法將油品直接打入低壓管線中重新收集起來。 這樣不僅減少了生產成本，而且還能大幅降低回收泵啟動頻率，減少回收系統的維護工作量，有效提高回收系統的使用壽命。

5 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統存在的問題

MicroDist 在線蒸餾測定儀系統測量周期短，測量數值準確， 能夠很好地滿足工藝生產的需求，但同時也存在一些客觀問題，其中最大的問題就是廠家技術支持的力度不夠。

目前該系統在國內使用數量不多，國外廠家對國內的技術支持力度遠遠不夠。 而國內的代理商不具備技術支持的能力，基本上只能做備件采購的業務。 一旦儀表出現故障，維保人員只能通過國內代理商用電子郵件的方式獲得國外工程師的技術支持，不僅周期很長，而且經常也得不到具體的方案， 只能得到幾個大概的解決方向，最終還是要靠維保人員自行摸索解決，因此相關的儀表維護人員需要具備相當高的技術能力和責任心。 不過隨著該系統應用的不斷增多，這種狀況也會逐步得到改善。

6 結束語

由于這套餾程系統首次用于國內的汽油餾程在線分析，無論是設計還是在實際使用過程中都出現了一些問題，經過對預處理系統的改造和儀表測量參數的調整，該系統已經很好地應用在煉油催化裝置中，實時監測生產過程中油品全餾程參數的動態變化，給生產提供了重要的指導依據。 目前廠里的3 套催化裝置均使用該系統對汽油的餾程進行監控，廠里的質檢中心已經不再對汽油的餾程進行取樣檢測，也完全滿足了工藝生產的要求。