乙烯裂解炉关键组分质量收率在线测量技术

梅华，于坤杰，王振雷

(华东理工大学 化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室，上海 200237)

仪器仪表

乙烯裂解炉关键组分质量收率在线测量技术

梅华，于坤杰，王振雷

(华东理工大学 化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室，上海 200237)

深入分析了裂解炉现有裂解气取样分析系统存在的问题，提出了一种裂解气关键组分质量收率的在线测量方法。该方法基于对裂解气组成、物理和化学性质的分析，推导了裂解气中关键组分质量收率的表达式，进而提出了一种新的裂解气在线取样分析系统，并详细地给出了设计和实现方法。该系统可以在现有取样系统的基础上，通过增加1个取样孔和1股防焦蒸汽，解决裂解气关键组分质量收率无法直接在线获取的难题，对乙烯装置运行优化系统设计和效益评价有非常重要的意义。

乙烯裂解炉 关键组分 质量收率 在线测量技术

乙烯是一种非常重要的化工原料，它的产量高低是衡量一个国家石油化工发展水平的主要标志[1]。目前，工业制乙烯主要采用石油烃蒸汽热裂解的方式，而裂解炉则是进行裂解反应的装置。裂解原料(气相或者液相)经过气化后在裂解炉的炉管中被进一步加热至高温从而发生裂解反应，生成氢气、甲烷、乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃等裂解产物。这些裂解反应产物经过急冷后送入干燥、压缩、分离等后续单元，得到高纯度乙烯和丙烯、氢气、丁二烯以及三苯、裂解汽油等高附加值产品。在该过程中，裂解炉出来的裂解产物分布将直接影响后续压缩、分离系统的运行状况和能耗，因而裂解炉是整个乙烯装置的核心，是乙烯装置经济效益的决定环节。

在工业乙烯生产过程中，为提高装置甚至整个生产企业的经济效益，需要及时地了解企业中乙烯裂解炉的运行状况与工艺参数，尤其是裂解产物中关键组分的分布情况，以便企业进行生产计划调度[2]和工艺参数优化调整[3]。然而，由于裂解产物中关键组分在线测量手段有限，无法获取关键组分全组分质量收率(简称“质量收率”)的在线实时数据，所以上述调度优化工作只能借助反应机理模型以及相关的模拟软件来实现裂解产物分布的估算[4-7]。众所周知，目前裂解炉反应机理模拟软件基本被国外大公司垄断，国内乙烯生产企业仅在购置裂解反应模拟软件上就要投入巨额的资金。另一方面，裂解反应模拟软件容易受到现场仪表、工艺条件等诸多因素影响，导致软件模拟结果与实际情况之间存在较大的偏差。这些偏差会对企业生产调度与优化产生许多不利影响，造成不必要的资源浪费，提高了企业运行成本，降低了企业经济效益。

因此，解决工艺乙烯裂解炉关键组分质量收率的在线测量问题具有非常重要的意义。目前关于裂解气在线取样/分析系统的文献主要集中在在线取样设备、管线的改造与在线分析仪表的维护方面[8-10]，而关于关键组分全组分在线分析的文献几乎没有。笔者从裂解炉出口裂解气在线取样/分析系统原理出发，首次提出一种裂解炉关键组分质量收率在线测量原理，并根据该原理提出一种工业实现方案。

1 乙烯裂解炉在线取样分析系统

乙烯裂解炉裂解产物分布的测量主要依靠在线色谱或者质谱仪[11]进行在线分析。由于裂解气中包含大量的重油、水分和焦粒粉尘等杂质，裂解气必须经过有效的处理之后获得洁净合格的样气才能进入色谱仪(质谱仪)进行连续分析[8]。图1为裂解气在线取样/分析系统结构图[9]，裂解气从取样器底部进入取样器后经过换热冷却，由200℃以上急冷到10℃以下。此时裂解气中的C4以上重组分和稀释蒸汽冷凝成液相，在重力作用下由取样器底部流回工艺管道；而C3以下轻组分以及部分C4组分保持气相并从取样器上部出口进入传输管线，再经过进一步过滤、冷却去液处理后送入在线色谱进行分析，最后得到氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷的体积分数，记为φCi，i=0， 1， 2， 3， 4。其中，Ci表示组分中的包含有i个碳原子，例如，φC0表示氢气的体积分数，φC1表示甲烷的体积分数，φC3=和φC3分别表示丙烯和混合C3的体积分数，以此类推。显然，在线色谱分析得到的结果只是乙烯、丙烯等关键产物占裂解产物中气相部分(在3℃以下，0.12MPa)的体积分数。

图1 裂解气在线取样/分析系统功能示意

假设气相样气中某关键组分的质量百分比，即质量收率(wt%)记为YC*(其中C*的概念同上)，则根据质量收率的定义[12]得到YCi和φCi的关系：

(1)

从式(1)可知，如果要从在线色谱的测量结果φCi，i=0， 1， 2， 3， 4得到某关键组分的质量收率YCi，必须已知裂解原料的转化率X和气相产物比Xg，而这2个参数是无法在线测量得到的。一种解决思路是根据裂解原料属性通过裂解反应机理模型和工艺参数(如炉管出口温度(COT)、进料负荷、汽烃比等)估算X和Xg，但其精度对关键组分质量收率的影响非常大；另一种解决思路就是对裂解气的在线取样和测量方式进行改进。

2 关键组分质量收率在线测量原理

(2)

图2 新的裂解气在线取样系统功能结构示意

3 关键组分质量收率在线测量的工程实现

需要指出的是，取样口位置选择在TLE出口管线上，由于TLE出口温度较高，在此温度下裂解气很容易发生结焦，造成管线堵塞，因而必须采取措施抑制结焦。此外，当裂解原料属性以及裂解炉工艺参数发生变化时，裂解气组成将发生很大的变化，导致被测介质的密度随之发生变化，这将严重影响质量流量计的测量结果。针对上述两个问题，简洁的办法是在取样器入口前增加一股稀释蒸汽。其作用有两个： 降低取样器入口裂解气的烃分压，抑制裂解气结焦；稀释裂解气在整个混合气中的比例，降低裂解气组成变化对混合气密度的影响。综上所述，新的取样系统在工程实现过程中需采取以下工艺措施：

1) 裂解气从取样器过滤回流段中部进入取样器，从而与冷凝回流液分开。

2) 在裂解气取样入口必须设置在TLE和淬冷器之间的工艺管线上，因而需增设1个防焦蒸汽混合段，在该管段内裂解气与防焦蒸汽充分混合。

3) 防焦蒸汽的温度和压力需与工艺管线中裂解气的温度和压力相匹配，此处应设置1个压力控制回路，并做好保温措施。

4) 分别在取样器顶部气相样气出口管线、防焦蒸汽管线和取样器入口管线上设置质量流量计，其中防焦蒸汽和裂解气需采用高温型流量计，而裂解气流量测量元件应采用压损较小的测量元件，如采用超声波流量计、文丘里管或者毕托巴传感器等[13]。

5) 取样器底部增加一段回流液封段，此处管径应根据取样器处理负荷计算管径与管长，以保证该管段内能够形成持续流动的液封，防止裂解气从取样器底部窜入取样器。

6) 由于增加了1股额外的防焦蒸汽，取样器所需的冷量也较现有取样器所需冷量要大，因而需要相应地调整仪表风量。

(3)

结合式(1)～(3)，可以得到裂解气中关键组分占全组分的质量收率。

4 结束语

笔者在深入分析裂解炉现有裂解气取样分析系统存在问题的同时，提出了一种裂解气关键组分质量收率的取样方法。该方法基于对裂解气组成、物理和化学性质的分析，推导了裂解气中关键组分

质量收率的表达式，进而提出了一种新的裂解气在线取样分析系统，并详细地给出了其设计和实现方法。该系统可以在现有取样系统的基础上，通过增加1个取样孔和1股防焦蒸汽，解决裂解气关键组分质量收率无法直接在线获取的难题，对裂解炉运行优化和乙烯装置运行优化系统设计和效益评价有非常重要的意义。

最后需要指出的是，上述关键组分质量收率的测量方法受在线气相色谱分析仪的影响很大。目前工业乙烯裂解炉裂解气在线气相色谱只分析氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷，不考虑在线色谱本身的测量精度，因而本文方法能够精确测量上述6种组分的质量收率。裂解气中的部分C4组成与C5以下重组分存在于液相冷凝液中，故这类组成的质量收率尚无法测量，关于这方面的内容还有待进一步研究。

[1] 王松汉.乙烯装置技术与运行[M].北京： 中国石化出版社，2009.

[2] 罗德鸿，张小萍，籍军，等.基于PIMS-SPYRO集成技术的乙烯生产计划[J].石油化工经济技术， 2007， 23(04)： 13-16.

[3] 蒋明敬.用SPYRO软件优化实现乙烯装置效益最大化[J].乙烯工业，2012，24(01)： 12-14.

[4] VAN G M， BARENDREGT S， GRIEVINK J A， et al. Model-based， Thermo-physical Optimization for High Olefin Yield in Steam Cracking Reactions[J]. Chemical Engineering Research and Design， 2010(88)： 1305-1319.

[5] NIGAM A， LAMARCA C， FAKE D， et al. Semi-Empirical Rate Law for Rice-Herzfeld Pyrolysis of Mixture： Capturing Chemistry With Reasonable Computational Burden[J].Energy Fuels， 1992(06)： 845-853.

[6] 尚田丰，耿志强.基于GA-RBF网络的乙烯裂解炉在线优化操作[J].计算机与应用化学，2009，26(08)： 1003-1007.

[7] 耿志强，朱群雄，顾祥柏，等.基于多群竞争PSO-RBFNN乙烯裂解深度智能优化控制[J].化学工程，2010，61(08)： 1942-1948.

[8] 杨金城.石化行业乙烯裂解气在线分析系统性能评价及存在问题探析[J].石油化工自动化，2009，45(06)： 1-5.

[9] 张会国，曲卫方，生显林，等.乙烯裂解气在线取样分析系统存在的问题及改进措施[J].化工自动化及仪表， 2008， 35(05)： 93-96.

[10] 马洪娟.裂解在线色谱仪试样处理系统存在问题及解决办法[J].石油化工自动化， 2014， 50(01)： 64-66.

[11] 朱新强，黎路.在线质谱仪与在线气相色谱仪的比较及应用[J].现代科学仪器，2012(05)： 15-19.

[12] FROMENT G F， DE W J， BISCHOFF K. Chemical Reactor Analysis and Design[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons Inc， 2010.

[13] 王池，王自和，张宝珠，等.流量测量技术全书[M].北京： 化学工业出版社，2012.

Online Measurement Technology on Mass Yields of Key Components in Ethylene Cracking Furnace

Mei Hua， Yu Kunjie， Wang Zhenlei

(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes， Ministry of Education， East China University of Science and Technology， Shanghai， 200237， China)

A new sampling approach is proposed in this paper after investigating on issues existing in current sampling and online analyzer systems in ethylene cracking furnace devices， in which an expression of mass yields of key components in cracking gas based on analysis on physical and chemical properties of cracking components is formulated， thus a new sampling system is designed with detailed configurations for engineering realization. Compared with current sampling system， both a new sampling entrance and an anti-coking steam are required additionally in the new system. Through above techniques， the dilemma that mass yields of key components in cracking gas can’t be obtained is solved. It is meaningful to the issue of optimization and benefit evaluation of ethylene installation running.

ethylene cracking furnace； key components； mass yields； online measurement technology

国家自然科学基金重点项目(U1162202)；十二五国家科技支撑计划项目(2012BAF05B00)，上海市科技攻关项目(12dz1125100)，上海市“科技创新行动计划”研发平台建设项目(13DZ2295300)。

梅华(1977—)，男，2006年毕业于上海交通大学自动化专业，获博士学位，现工作于华东理工大学自动化系，从事过程控制、建模与优化方法及工程应用的研究，任讲师。

TP274，TH83

B

1007-7324(2015)01-0049-04

稿件收到日期： 2014-10-08，修改稿收到日期： 2014-11-15。