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苯乙烯装置流量计仪表选型与应用



摘 要 以某苯乙烯装置仪表选型及安装实例为背景,针对苯乙烯介质易聚合,易堵,粘度大等特点,分析和探讨了苯乙烯装置仪表选型和应用。并对不同参数的测量解决方案(如:采用带吹扫差压变送器和伽玛射线液位计测量液位,采用科里奥利质量流量计和热式质量流量计检测流量等)进行了分析比较。

  苯乙烯(SM)是重要的基本有机化工原料,主要用于生产聚苯乙烯树脂(PS)、丁苯橡胶和丁苯胶乳(SBR/SBR 胶乳)、离子交换树脂等化工产品。此外,还可用于制药、染料、农药等行业,用途十分广泛。近年来,随着橡胶下游相关行业的蓬勃发展,特别是汽车轮胎工业的飞速发展,橡胶等消费量呈现出跳跃式增长,苯乙烯的需求量也飞速发展。我国苯乙烯生产能力远不能满足市场的需求,缺口较大,因此,各企业要求新建或扩建苯乙烯装置的愿望迫切。由于测控仪表对苯乙烯装置安全、稳定生产起着关键作用,非常有必要研究针对苯乙烯装置特点的现场仪表的合理选型和应用。
  本文以某化工厂苯乙烯装置为例,对苯乙烯装置的仪表选型特点和实际应用做简要的分析和探讨。
 
1、装置工艺特点及物料特性:
  乙苯绝热脱氢制苯乙烯装置,主要由乙苯脱氢反应系统、苯乙烯分离精制系统和辅助系统组成 [1]。乙苯脱氢反应是在催化剂和水蒸气存在的情况下,乙苯发生选择性脱氢反应,生成苯乙烯粗产品,然后进行精馏分离等一系列加工处理,最终产出装置的主产品 - 苯乙烯。
  苯乙烯装置的生产中具有高温反应、负压精馏的特点,涉及的主要物料有干气、苯、乙苯、苯乙烯、尾气、阻聚剂等,大多数为易燃、易爆物质;阻聚剂 DNBP 为剧毒类,芳烃物料有中等毒性;其中,苯对人体毒害最为严重。
  因此,如何结合装置工况特点和工艺物料特性合理进行仪表选型是使装置能安全、可靠、稳定运行的基本保证,也是做好自控设计的重要基础。以下笔者将结合工况要求和物料特殊性,重点针对温度、流量、液位等仪表在选型、设置方面的考虑以分析介绍。
 
2、采用可靠的温度检测,确保脱氢反应的正常进行:
  脱氢反应为吸热反应,乙苯的平衡转化率随着反应温度的升高而增加。在乙苯脱氢反应过程中,温度是苯乙烯装置脱氢反应的重要测量指标之一。脱氢反应器是在高温下操作,且反应初期、末期的温度、及联锁温度之间的变化不大,要确保精确地测量温度,测温元件的选择是一个十分关键的要素。 在温度元件的设计选型中以下三个方面需特别注意:
 
(1)选用高精度的测温元件。温度元件的测量精度有 A、B 级,对于高温情况下,选用符合 IEC 标准高精度的 K 型、R 型铠装绝缘型热电偶温度计。在设计中,确保选择精度高、质量好的测温元件,排除因元件的精度误差造成测量误差。
 
(2)在多点热电偶的结构上,针对反应器设备自带温度计套管的情况,配置靠壁弹簧机构,以确保温度的响应时间。靠壁弹簧机构示意图参见图 1。
 
(3)在温度计套管的材料选用上,按不同的管道材料等级,根据高温的情况,并考虑高温材料的价格因素,分别选用耐热不锈钢 304HSS 选用 Incoloy800HT,刚玉等特殊材质。既保证仪表测量使用的可靠性,又满足节约费用的要求。
图 1	靠壁弹簧机构示意图

图 1 靠壁弹簧机构示意图

3、合理选择流量计仪表,确保不同物料流量的正确测量:
  苯乙烯是一种热敏性物质,极易自聚,随温度、浓度升高及停留时间的延长,自聚速率增快,粘度不断增加,减慢其流动速度。根据装置的介质特性,为保证测量控制的正确性、有效性和可靠性,在流量仪表的设计时,我们注重从以下几个方面进行合理的选型:
 
(1)对苯乙烯、焦油等易聚合、高粘度的介质,如在精馏工段,苯乙烯焦油液粘度大,选用了楔形流量计、质量流量计。楔形流量计采用差压原理测量流量,其检测元件为 V 形,与孔板比,有更低的永久压力损失。
 
(2)对苯、阻聚剂 DNBP 等有毒有害介质化工物料的流量测量,在设计中尽量考虑选用涡街流量计等管道式流量仪表,减少导压管泄漏及排放。以防止苯、阻聚剂 DNBP 等有毒有害介质泄漏对人体造成伤害,对环境带来污染。
 
(3)对烃化尾气和燃料气的计量,通常情况下,与其他液体流量计量一样选用了科里奥利质量流量计。即利用科里奥利原理来直接测量流体流过的质量 [2]。科里奥利原理测量液体有很高的测量准确度,很高的重复性,且不需要直管段,但是,测量气体,选型还是要非常慎重。用科里奥利原理测量气体要求气体压力大(氢气测量时要几十公斤压力),流速不能过低也不能过高(一般低于当地音速的 0.5 马赫(1 马赫≈ 340 m/s))。如果用科里奥利原理测量低压低流速气体,不仅测量精度差,可测量程比小,重复性也差,且零点m/s))。如果用科里奥利原理测量低压低流速气体,不仅测量精度差,可测量程比小,重复性也差,且零点不稳定,特别是管道的震动对表的影响较大;压损较大;价格昂贵。
  本装置烃化尾气、燃料气的测量计量,从计量精度,价格等方面考虑,选用了可直接测量气体质量流量的热式质量流量计。
  热式质量流量计利用热传导原理,即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量,采用恒温差或恒功率法,对气体精确测量。热式质量流量计只能用在气体,利用各种气体对热的传导和吸收能力的不同,测量从发热到感应之间的热量传递或者热能损失来对应流速。恒温差法热式质量流量计工作原理参见图 2 。
图 2	恒温差法热式质量流量计工作原理

图 2 恒温差法热式质量流量计工作原理

 该流量计精度高,灵敏度高,量程比较宽,价格低、尤其适合用于大管径(直径可为十多米)燃料气体的贸易计量。其压力损失极小,可在线插拔清洗,传感器不易堵塞,安装维护量小。缺点是响应时间通常为 2~5 s,若应用于控制系统不能选用响应时间长的仪表。
 科里奥利流量计与恒温差原理热式质量流量计在气体流量测量的比较见表 1。
 
4、选择合理的检测方案,解决易堵问题:
 由于苯乙烯易聚合为不可溶苯乙烯,为防止因聚合而堵塞管道,对苯乙烯等易聚合介质的测量一般采用以下解决方案 [3]
 
(1)在压力检测上,对苯乙烯塔、储罐顶部等气相压力的测量,采用膜片密封法兰式压力表和压力变送器,带吹扫和冲洗环的方案。苯乙烯塔釜的压力测量,引压管采用氮气吹扫的方式,以防止管线因聚合堵塞而影响测量。
  表 1  科里奥利流量计与热式质量流量计比较  
       
仪表类型 科里奥利质量流量计   热式质量流量计恒温差原理
         
精度 测量液体:±0.1% FS   测量气体:±1% FS
  测量气体:±1% FS    
         
         
重复性 较高   ±0.2% FS  
       
量程比 测量气体:20:1   测量气体:100:1
       
压损 较大   DN50 以上管径可忽略不计
         
零点稳定性 不稳定   稳定  
         
流体标定 用水标定   气体标定  
         
性能可靠性 可靠   可靠  
       
响应时间   较快,1 s 到 63% FS
         
可测最大流速 170 Nm/s   344 Nm/s  
0℃ 1ATM 工况        
         
         
可测最低流速 与气体压力相关   0.1 Nm/s  
0℃ 1ATM 工况        
         
         
可测最大压力 40 MPa(高压可定制)   3.5 MPa  
       
耐腐蚀性 接液材质可选   探针材质可选
         
可测温度范围 -240~426℃   -50~450℃  
       
前后直管段 无需前后直管段   插入式需要前后直管段
      管道式只需 1D 直管段
       
       
水分影响 无影响   管道内壁没有凝结水均可使用
     
安装维护简易程度 必须停气破管安装,按照规程做好减震措施 可不停气开孔安装,不停气在线插拔不泄露维护,金属卡套安装,很方便
       
价格 不同管径价格相差较大,非常昂贵   管径大小与价格关系不大,DN40 以上价格优势明显

 
(2)在调节阀的选用上,采用如 V 型球阀等无死区结构的调节阀,以防止在调节阀死区形成物料积聚聚合引起阀门无法动作而造成调节失灵。
(3)对苯乙烯塔釜的液位测量一般有两种解决方案。一是带吹扫和冲洗液位测量方案(参见图 3)。液位测量采用差压变送器,用氮气吹扫引压管线,氮气吹扫口设置尽量不留死角,以防止因聚合而造成管线堵塞,吹扫氮气通过稳流调压阀使得进入变送器正负压室的氮气压力恒定一致,确保液位的正确测量。该
图 3	差压液位变送器带反吹气 / 液示意图


图 3 差压液位变送器带反吹气 / 液示意图
  方法的优点是:测量较稳定、可靠,价格便宜。
 另有一解决方案是采用非接触式的伽马射线液位计(见图 4)。伽马射线液位计 [4] 是利用能量衰减来测量液位。发射源(钴 60 或者铯 137)放在一个注铅的钢制密封源罐内,源罐放在容器的一侧,一个棒状的闪烁式探头装在容器的另一侧。伽马能量从源罐射出,穿过容器壁和物料上层空间到达探头。当物料的液位增加时,到达探头的能量减少。此种测量方案其独特的优点是不接触测量,降低自聚可能。它能对高温、高压密封容器或管道内的腐蚀、高粘度、剧毒性的固、液态介质进行料位测量,采用放射源,标定好以后几乎可以做到免维护,无移动组件,测量稳定,精度高,运行可靠。但是这种仪表使用时应在仪表周围采用防护措施,以防止射线对人体的伤害,且价格较贵。
图 4	伽玛射线液位计安装示意图

图 4 伽玛射线液位计安装示意图


目前,苯乙烯塔釜易聚合介质液位的测量,以上两种方法都分别有采用。用户可综合考虑投资合理、运行稳定、维护方便等因素,选用合适的测量方案。本装置采用普通差压液位变送器带吹扫方式来测量液位。
 
 
5 、结束语:
   一套装置的自控设计是一项系统工程。仪表、控制系统及安全保护系统的可靠性和先进性都与装置产品的质量、产量、能耗以及装置的安全生产有着密不可分的联系。但实际应用中最容易出问题的是仪表,因此,仪表选型显得尤为重要。仪表选型首先要考虑到测量的准确性、合理性、可靠性,其次要考虑用户使用、维护的方便。各种仪表选型方案各有利弊,合理选用可以稳定、可靠地监控整个装置的生产运行。并为优化装置操作、消除生产隐患、降低能耗、提高生产效率,长周期安全稳定运行提供保证。


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