氧分析儀在連續重整裝置中的應用

陶孟瑤

(金陵石化建安公司儀表車間,南京 210033)

0 引 言

金陵石化公司煉油廠1 Mt/a連續重整裝置的工藝采用了UOP公司的專利技術。

UOP公司的鉑重整裝置的催化劑再生給煉油廠在高苛刻度條件下操作反應段提供了靈活性。當反應段處于高苛刻度條件下時,重整催化劑的失活速度更快,此時催化劑上的積炭速度也更快。如果沒有催化劑再生段,反應段就不得不經常停工再生,以便將催化劑上的積炭層燒掉,從而恢復催化劑的活性和選擇性[1]。有了催化劑再生段,煉油廠就能夠連續對鉑重整反應段進行操作。

催化劑再生段具有循環和再生功能,其均在一個連續運行的回路中實現[2]。首先,在催化劑再生段中,待生催化劑分4個步驟進行再生:a)燒焦; b)氧氯化,目的是為了分散催化劑金屬并且調節催化劑的氯化物含量;c)催化劑干燥;d)還原,也就是將催化劑金屬狀態還原。最后,經過再生的催化劑又循環回到第一臺鉑重整反應器。該回路的邏輯和順序是由催化劑再生控制系統來控制的。

在催化劑再生過程中,燒焦區的氧體積分數是一個重要參數,氧體積分數高將導致較高的燃燒溫度,這樣會損壞催化劑。而偏低的氧體積分數則會使得燒焦的速度較慢,從而使得燒焦區的燒焦不充分。如果在氯化區中發生燒焦現象,就會產生極高的溫度,從而嚴重損壞催化劑和氯化區的設備。

為了控制燒焦區的氧體積分數,該裝置安裝了1臺WDG-ⅣUOP氧分析儀來監控催化劑再生過程中的氧體積分數。

1 原 理

氧分析儀的傳感元件本身就是一個封閉式的管或圓盤,由與氧化釔或氧化鈣相平衡的陶瓷氧化鋯制成。里層和外層的多孔鉑涂層充當了催化劑或電極[3]。在高溫下(一般高于650℃),與傳感器相鄰的鉑電極相接觸的氧分子變為離子態。只要元件兩側的氧體積分數相同,運動就是隨機的并且沒有離子的凈流動產生。但是如果元件兩側的氧體積分數不同,則電勢就會產生。此電勢的大小是兩側氧體積分數之比的函數。如果一種氣體里的氧體積分數已知,則該元件產生的電勢確定了另一種氣體中的氧體積分數[4]。參比氣通常是空氣(φO2=20.9%),被用來作為其中一種氣體。

元件的電勢隨溫度變化,將元件的溫度保持恒定,氧氣含量由能斯特(Nernst)公式得到:

式中 R——氣體常數;F——法拉第常數;T——絕對溫度;φO2(1)和φO2(2)——氧化鋯氧氣分析儀兩側的氧體積分數[5]。

為了測量非易燃性氣體中的氧體積分數,分析儀的刻度由下式得到:

式中 A——常數;T——元件的絕對溫度; φ′O2——待測(由分析儀計算)氣體中的氧體積分數;695℃時,A T=48.0。

當兩側氧體積分數相同時元件產生的電勢為0,并且隨著氧體積分數的減小而增加。由試樣氣和參比空氣中氧體積分數之差產生的電勢由電纜傳至微處理控制元件,在此被線性化為輸出信號[6]。

2 結構及特點

圖1是WDG ⅣUOP氧分析儀的結構,采樣探頭插入工藝管線中,其端部裝有不銹鋼或陶瓷過濾器。試樣氣被抽吸器(噴射泵)從工藝管線中抽出,其中大部分試樣氣直接返回工藝管線,恒定流量的一小部分試樣氣流經氧化鋯檢測元件后返回工藝管線。試樣氣流經的所有部件都由電加熱器加熱,使試樣氣保持在露點溫度以上[7]。

圖1 WDG-ⅣUOP氧分析儀的結構

由于試樣氣進出口端的熱力學壓力相同,按理試樣氣應該無法流過氧化鋯檢測元件并返回工藝管線,但試樣氣在垂直的氧化鋯檢測室中被加熱至695℃,而試樣氣被抽出的溫度一般在250℃左右,這一溫度差造成的密度差使得試樣氣發生自然對流,推動試樣氣流過氧化鋯檢測元件并返回工藝管線[8]。

該氧分析儀是AMETEK公司專為UOP公司的鉑重整裝置的催化劑再生部分設計制造的,它與用于加熱爐的直插式氧化鋯氧分析儀和普通的氧化鋯氧分析儀不同,加熱爐的直插式氧化鋯氧分析儀通常試樣氣是微負壓或微正壓,普通氧化鋯氧分析儀的試樣氣是通過減壓等試樣預處理后使試樣氣成微正壓;而WDG-ⅣUOP氧分析儀是直接分析壓力為35(1 psi=6.89 kPa)的試樣氣,它在控制器有軟件壓力補償。由于催化劑再生過程中HCl體積分數有時高達0.3%,該儀器與試樣氣接觸的部件材質用哈氏C合金。氧分析儀還在進樣的管線上安裝了Pt1000檢測器,通過檢測進來的試樣氣的溫度,間接測量試樣的流量,判斷試樣管線是否堵塞。

3 應用維護

該廠1 Mt/a連續重整裝置催化劑再生段燒焦區入口處安裝了1臺WDG-ⅣUOP氧分析儀,用來控制燒焦區的氧體積分數。在正常的操作期間,氧分析儀能控制從再生器排放的過?？諝獾臄盗?如果放空的過?？諝獗容^少,就會有更多的空氣進入燒焦區,而此時的氧體積分數就會增高,燒焦區的氧體積分數一般控制在0.5%～1.0%。該氧分析儀輸出4～20 mA信號到DCS,另外送出兩組繼電器信號:一組是流入氧分析儀試樣氣的流量少到一定程度。它是通過Pt1000檢測器測量進來的試樣氣的溫度,若試樣氣溫度低于250℃,說明試樣管線堵塞。另一組是氧分析儀故障。該氧分析儀具有故障自診斷功能。這兩組繼電器信號串聯在一起送到催化劑再生停車系統(CRCS),兩組信號中只要有一組繼電器動作,CRCS就發出報警聯鎖信號,催化劑再生部分停車。到DCS的氧體積分數信號經過壓力補償計算后,成為隨著工藝管線壓力變化的正確的氧體積分數,這個氧體積分數值送到CRCS,當φO2值達到1.1%時發出報警信號, φO2值達到1.3%發出聯鎖信號,催化劑再生部分停車。

3.1 安 裝

安裝包括傳感器箱和顯示控制器的安裝。

a)在安裝傳感器箱之前,必須先安裝采樣管和回樣管,采樣管安裝在左側回樣管為右側(打開箱門左視)斜口背向再生氣。注意采樣管要比回樣管長,然后與再生氣管道取樣管法蘭對接。注意在對接處密封墊要使用耐高溫的金屬密封墊。再生氣管道上取樣管道要求水平安裝,即不能斜形安裝[9]。

b)傳感器箱和接線端子箱一定要采用鋼結構支架固定安裝,以避免在管道法蘭與儀器之間處產生應力。

c)傳感器箱左上側為參比氣(儀表凈化風)接口,輸入壓力60～100 psi,輸入到傳感器箱內壓力1～10 psi,流量0.1～0.25 L/min。儀表風終端接口為DG15,最好在終端前加裝一個水油過濾器[7]。

d)傳感器箱右下側為驅動氮氣接口,輸入壓力100 psi以上,流量5～10 L/min,驅動氮氣終端接口為DG15,最好也在終端前加裝一個水油過濾器。

e)傳感器箱下方標定口采用 DG8與標準氣連接[7]。

f)控制器采用鋼結構支架安裝,四角螺絲固定。安裝位置與傳感器箱在同一工藝層面,盡可能與傳感器箱接近,以方便日常維護。

3.2 使用維護

該氧分析儀通電投入使用前,首先在控制器上要根據管道再生氣壓力設定壓力補償,通常壓力補償設定為35 psi(即管道內再生氣壓力)。其次根據工藝情況設定試樣再生氣溫度報警,該廠溫度設定為250℃,然后再對儀器進行校準。首先進行初始校準,它可以記錄儀器初始狀況下元件的最佳質量,隨著時間推移,元件質量開始惡化,元件對校準氣的真實響應將降低,初步校準是為了延長元件壽命,通過標準校準與初始校準對比,提高爐子控制溫度來減少元件退化。初始校準完成后,再進行一次標準校準。標準氣一般用一瓶8 L氧體積分數為20%的氮氣作為量程氣體(也可以使用儀表風,但儀表風必須經過過濾減壓),一瓶8 L氧體積分數為2%平衡氣為氮氣作為零點氣體標準氣(也可以是其他氧體積分數的標準氣,但量程氣的氧體積分數必須是零位氣氧體積分數的10倍以上)。校準完成后,打開抽氣氮氣閥,儀器投入使用。

儀器的日常檢查主要是加熱爐溫度是否是695℃,氧體積分數是否在0.65%～0.95%,并查看有無儀表報警。校準周期通常每個月校準一次,也可根據工藝需要即時校準。按照程序先校準量程氣體,后校準零點氣體[10]。每次校準前都要關閉抽氣氮氣閥,校準完成后,打開抽氣氮氣閥。不論何時分析儀斷電,抽氣氮氣閥需被關閉并且向校準氣接口通入1.5～2 m3/h的氮氣,其作用是保證傳感器暢通,避免管路堵塞。

4 結束語

WDG-ⅣUOP氧分析儀在金陵石化連續重整裝置中的應用是比較成功的,它通過檢測、控制燒焦區的氧體積分數,保證了連續重整裝置中再生部分的正常運行。該分析儀的維護量和故障率相對于其他再生部分的氧含量分析儀降低了很多,受到了用戶的好評。

[1] 朱 飛.氧分析儀在PTA裝置中的應用[J].石油化工自動化,2007,(6):71-72.

[2] 唐孟海.連續重整催化劑再生工藝冷卻過程的技術分析[J].煉油技術與工程,2006,(4):26-29.

[3] 于 洋.在線分析儀器[M].北京:電子工業出版社,2006.

[4] 朱明華.儀器分析[M].3版.北京:高等教育出版社,2000.

[5] 郭振宇.自動成分分析儀表[M].北京:化學工業出版社,1985.

[6] 張乃燕.氧分析器[M].北京:化學工業出版社,1988.

[7] 邢龍春,張明忠,王俊梅.淺儀在線分析儀表[J].石油化工自動化,2006,(1):85-89.

[8] 王 森.在線分析儀器手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[9] 羅伯特E.謝爾曼.過程分析儀試樣處理系統技術[M].馮秉耘,高長春,譯.北京:化學工業出版社,2004.

[10] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].2版.北京:化學工業出版社,2003.