气相流化床工艺循环气在线分析仪探讨

王艳清 筴宏伟 吉豪杰

摘 要：介绍了线性低密度聚乙烯装置循环气在线分析仪系统的选择、施工、标定、调试及维护等技术特点，以更好的指导装置开工及正常生产。

关 键 词：Unipol工艺；循环气；在线分析仪；聚乙烯

中图分类号：O 657 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1677-03

Application of Cycle Gas Online Analyzer

System in Gas Phase Fluidized bed Process

WANG Yan-qing，JIA Hong-wei，JI Hao-jie

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract：The selection，construction，test，calibration and maintenance technical features of cycle gas online analyzer system in linear low density polyethylene unit of Fushun Petrochemical Company was presented so as to provide much better instruction for unit start up and normal running.

Keywords：Unipol process technology；Cycle gas；Online analyzer；Polyethylene

线性低密度聚乙烯是由乙烯和少量α-烯烃在二氧化硅为载体的络合物高效催化剂或钒钛为载体的催化剂体系作用下经配位聚合而成。[1]Unipol PE工艺的核心在于在流化床反应器中，精制后的乙烯和共聚单体在高活性催化剂的作用下反应。[2]反应器中循环气的各组分监控及产品指标的控制均依赖于反应器在线色谱分析仪。本文通过对国内某unipol工艺线性低密度聚乙烯装置在线分析仪系统的设计、施工、调试、使用及维护全过程的探讨，给出了更为优化的在线色谱分析仪应用，以更好的指导聚合反应生产。

气相色谱分析仪的原理是气体混合物通过含有某种物质的管（色谱柱），基于管中物质对不同化合物的保留性能不同而使混合物分离。[3]专利商推荐的色谱生产厂商有ABB、SIEMENS和YOKOGAWA三家。该装置选用了由ABB生产的型号为PGC2000的过程气相色谱分析仪。整个在线分析仪系统的集成由兰州实华分析技术有限公司提供，循环气分析系统具体流程见图1。

1 在线分析仪采样系统设计注意事项

1.1 采样口到采样箱的管道设计

循环气采样主要是通过循环气压缩机出入口前后的压差形成在线反应采样箱内过滤器的压差，为了保证采样的准确性需要使通过过滤器的循环气流量尽量大。由于压缩机前后压差相对固定，而过滤器在正常情况下压差也相对固定，最主要的压力降就在管道上形成。这就需要对采样管道的尺寸和走向进行特殊设计，首先管径应选择合适，如果太小将造成管道压差过大，而过滤器的压差过小；如果管径太大，会造成过滤器压差过大，同时管道内气体流速过低，这些都影响分析仪样品的准确性，合适的管道尺寸为10～12mm，该装置现场采用的管道尺寸为12 mm。

图1 循环气分析仪系统流程图

Fig.1 Flow chart of the cycle gas analyzer

在管道走向设计上，为了防止管道过长引起的粉料沉积堵塞管道，应遵循从采样口到采样箱的距离应尽量短的原则，根据现场实际情况将采样箱的位置选择在最靠近采样口的位置。同时从采样口到采样箱的管道需要进行良伴热和保温，主要是为了防止C3以上组分在该处的冷凝析出，冷凝析出会直接影响到分析结果的准确性。从采样箱到循环气压缩机入口的返回管线也应尽量短，配管时以距离最短为标准进行，尽量短的管线可保证采样过程的气体流量。理想的管道距离应小于15 m，目前该线性低密度聚乙烯装置的管道长度为10 m。另外这条管线上设置有保温，而不设置伴热，同时设置有热偶监测温度，当该温度点和循环气压缩机入口测温点的温差在5 ℃以内时，表明管道内采样物料流动正常，当温差大于10 ℃时，表明采样流量偏小。

1.2 采样箱内的设计

应特别注意采样箱内过滤器选型的问题，过滤器选型的最大不同在于循环气中相对较大量的细粉，对这些细粉的过滤需要过滤面积较大的过滤器。而目前常规采用的过滤器为SwirlKleen Type I型，后来经专利商要求改为SwirlKleen Type II型。二者最主要的差别在于其过滤面积的不同，I 型过滤面积要比II型小20%。

图2 原采样箱内部流程图

Fig.2 The old design about sampling box

图3 新采样箱内部流程图

Fig.3 The new design about sampling box

采样箱内部流程的最新设计与原来相比也有了很大改进（原设计见图2，新设计见图3）。新设计的采样箱将两套采样系统完全独立，在切换备用过滤器时后部管道及附件都完全独立，增加了备用过滤器系统的可靠性。而另外一个最大的变化在于取消了冷凝罐，由于采样箱设计温度和循环气温度相同，冷凝罐作用不大，而冷凝罐的存在也增加了分析误差存在的可能性，增加了取样时间。

2 在线分析仪调试过程注意事项

2.1 氢气组分分区间控制

本装置引进的两套催化剂体系分别是UCAT-J和BMC-200，这两套催化剂体系可生产的牌号中氢气浓度变化较大。对于UCAT-J产品来说，生产高指数产品时氢气浓度可达21%，而生产低指数时氢气浓度在2%。对于BMC-200产品，其中氢气浓度的控制范围在1 000 到 4 000 mg/kg。而氢气浓度的控制质量直接影响到产品指数的控制，基于不同产品氢气浓度控制范围变化较大的情况，在调试阶段通过在线分析仪内部设置和DCS控制系统共同作用，将氢气浓度进行细分，共划分了0～1 500 mg/kg、0%～1%、0%～8%、0%～30%四個显示区间段。生产不同牌号时，根据该牌号的氢气浓度情况，选择相适应的浓度显示区间控制，以达到更精确的氢气浓度显示和控制。

2.2 C5组分合并控制

对于循环气中诱导冷凝剂异戊烷来说，由于原料中难免会有微量正戊烷存在，但色谱对于二者的区分也不是太明显。将二者合并均显示为异戊烷，保证了组分总量的相对稳定。同时由于二者在反应器中均起到冷凝作用，通过对二者进行合并也进一步增加了冷凝量显示的准确性，从而达到更好的冷凝态操作控制。

（1）色谱标定用标准气组分的选择

最初调试阶段色谱厂商ABB建议提供的标气规格分两种，在不同压力下不同组分的标气，具体指标见表1：

调试过程中，用以上标气标定过的分析仪在投用正常物料时会产生较大偏差，经分析主要原因在于标定组分与实际使用组分间偏差过大导致。以异戊烷为例，标气中的异戊烷浓度为0.5%，而实际生产过程中的异戊烷浓度可达8%～14%，实际量为标气量的25倍。当分析仪在标定时产生的误差为+/- 0.03%时，当正常生产时就会产生约+/- 0.75%的偏差。在专利商的建议下，重新采购标气，使用两种更贴近生产实际的标气，从而更好的实现了分析仪的精确测量，标气具体组分见表2。使用两种标气的目的也是为了在用一种标定后，可以用另外一种进行相应的准确性验证。

表1 ABB提供标气组分

Table 1 Calibration standards for the cycle gas analyzers by ABB

1号标气（7.6 bar） 2号标气（24 bar）

组分 数值 组分 数值

H2 25% H2 5%

N2 51% N2 89%

CH4 2% 1-C4H8 1%

C2H6 3% i-C4H8 1%

C2H4 20% t-2- C4H8 1%

i-C5H12 0.5% c-2- C4H8 1%

n-C5H12 0.5% i- C4H10 1%

n-C6H14 0.2% n- C4H10 1%

1-C6H12 0.1%

t-2-C6H12 0.1%

表2 专利商提供标气组分

Table 2 Calibration standards for the cycle gas analyzers by Univation

组分 标气1 标气2

C2H4 30% 40%

N2 42% 14%

C2H6 5% 10%

H2 8% 15%

CH4 3% 5%

C4H8 4% 9%

N-C4H10 1% 3%

I-C5H12 7% 4%

CO 2×10-6 20×10-6

CO2 50×10-6 4×10-6

3 开车初期对在线分析仪的调整注意事项

在开工初期在线分析仪显示趋势中经常出现跳跃现象（见图2）。其中展示了12 h的分析仪趋势图，跳跃最为明显的就是异戊烷的浓度，最大的时候异戊烷浓度在一个周期内会有1%的跳跃，同时也影响导致其他组分的相应波动，这给反应器的控制带来了很大的难度。由于两套在线分析仪同时出现波动，主要的问题应在于采樣系统。排查从采样管道经采样箱分离后再到分析小屋得到整个通道，有部分区域温度达低于50 ℃，接近循环气的露点温度，导致部分异戊烷冷凝所致。随后对该部位的伴热进行了重点的排查整理。之后又对采样箱中过滤器膜片进行了清理，清理时发现膜片堵塞严重，主要还是开工初期管道杂质含量高导致的堵塞。在处理了以上问题后，分析仪显示趋势恢复正常平滑状态。

图2 开工初期在线分析仪趋势

Fig.2 The analyzer trend during commissioning of the reactor

4 开停工分析仪投用停用的注意事项

气相色谱分析仪属于高精密仪器，系统进入空气和水分时会对设备造成损坏，因此在装置停工，不需要分析仪监控的时候，需要关闭采样系统的一次阀门和样品返回线上的根部阀门。通常，在反应器经过氮气置换合格后，关闭这些阀门。同样的，在装置开工阶段，需要反应器经过置换，露点合格后，方可投用色谱分析仪。短期停工时，不建议终止载气（高纯氮气和高纯氢气），维持载气运行对色谱仪管路可起到一定的清理作用。

5 分析仪的日常维护工作

在日常使用过程中，分析仪预处理室内预处理箱的温度对分析结果的准确性影响很大，温度过低会发生C5以上组分冷凝现象，温度过高，会导致烃类碳化。一般控制在80 ℃左右，尤其在冬季生产时，要保障该温度的稳定。正常情况下，分析仪监控反应器为一用一备，但要确保两台分析仪的数据都正确，当一台出现故障时，另一台能及时在线，避免因长时间标定或硬件故障影响生产。由于循环气组分中可能夹带有微量粉末，或者样品气在色谱仪中发生了碳化、结渣等原因，色谱仪需要定期进行清理管理中的流量计、阀片等部件。

6 结束语

该线性低密度聚乙烯装置所选用的由ABB生产的PGC2000型循环气在线分析仪，在经历了从设计、施工到开工调试及后期正常生产维护的一系列故障排除及问题解决后，目前在装置得到了良好使用，很好的参与了反应器的各项控制，达到并满足工艺的各项需求。 （下转第1683页）