基于涡旋管制冷原理的分析仪表样品处理系统与添加剂秤下料系统改造

郭江明 刘 怡 周士勇 罗雯婷

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化公司信息网络公司）

化工生产现场中，分析仪表、添加剂秤等特殊仪表的可靠性往往取决于仪表是否在最短的滞后时间内得到有代表性的工艺样品，以及样品的状态（如温度、压力、流量和清洁程度）是否适合仪表所需的操作条件。 在此，笔者利用涡旋管制冷原理，改造分析仪表样品处理系统，使其样品符合仪表分析要求，提高经济效益；同时，改造添加剂秤下料系统， 使之满足添加剂秤的要求，保证工艺的长周期平稳运行。

1 涡旋管制冷原理

涡旋管制冷原理如图1 所示。 常温压缩气体经喷嘴沿切线方向喷入涡旋发生器，由于切向喷嘴的作用，在涡旋发生器中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高速气流，顺涡旋管向右运动。 热端装有控制阀，当气流到达热端时，外圈气流从控制阀阀芯周边排出， 内圈气流受到阀芯的阻挡，反向折转沿涡旋管向左运动，由冷端出口排出。 在涡旋管中，外圈右行气流和内圈左行气流以相同的角速度沿同一方向旋转，虽然两者角速度相同，但外圈气流线速度高，内圈线速度低，即两者的动能不同，如此就会在两股气流的交界面上发生能量交换， 内圈气流向外圈气流输出能量，或者说外圈气流从内圈气流汲取能量，以维持两者以相同的角速度高速运行。 由于外圈气流的动能大，所以外圈气体温度高，从热端出口经过控制阀排出，形成热风的来源；内圈气流的动能小，所以内圈气体温度低，内圈的低温气体经过孔板排出时会产生绝热膨胀，使其温度进一步下降，形成冷风来源。

图1 涡旋管制冷原理示意图

2 分析仪表样品处理系统改造

乙烯厂制氢装置使用一台红外分析仪表测量蒸汽转化炉后工艺介质中CH4的含量。 自仪表安装调试以来，一直无法长周期运行，同时红外分析仪气室极易进水， 导致仪表无法正常投用。通过学习工艺流程发现，由于制氢装置蒸汽转化炉的工艺原理为CH4+C2H6+4H2O→2CO+CO2+9H2，工艺上为了获得更好的收率，通常在工艺介质中加入大量的水蒸气以助于正向反应， 增加CH4和C2H6的收率，所以导致仪表样品中含有大量的水蒸气。 但是工艺上必须知道转化炉的实时反应情况，致使分析仪表只能从样品处理着手以保证仪表的长周期使用。 仪表人员通过长时间观察红外分析仪运行情况，发现分析仪表具有预处理设计缺陷，导致其除水效果不佳，致使样品中的水分无法去除，造成水分多次进入红外分析仪测量气室，严重影响了仪表的正常测量，给工艺生产带来不稳定性， 反而降低了CH4和C2H6的收率以及装置的经济效益。

通过观察分析仪表的样品前处理和预处理过程，发现现有的样品处理设计无法达到分析仪表的要求。 利用现有的前处理箱和预处理设备，设计二级降温除水设备，在前处理箱增加一个涡旋管和样品冷却罐，对进入前处理样品冷却罐的样品进行第1 级降温，除去大量的水分，少量的水分进入第2 级涡旋管冷却罐，达到进一步除水的目的，然后微量的水分由干燥剂（硅胶和分子筛）脱除，最后使用气液分离过滤器（膜片）保证进入分析仪的样品不含水分。 通过定期观察，维护制定排水时间，有效保证了红外分析仪的长周期运行。

改造后的样品处理工艺流程如图2 所示。

图2 改造后的样品处理工艺流程

3 添加剂秤下料系统改造

在聚乙烯树脂储存、运输和后加工过程中，为了减少或延缓由于机械力、热、氧、光等作用而导致的材料性能被破坏， 聚乙烯树脂在造粒过程中必须按工艺要求加入一定比例的不同品种的添加剂。 根据生产牌号的要求，将桶装或袋装固体添加剂分别加入卸料斗， 添加剂依靠自重分别进入缓冲仓， 缓冲仓中的添加剂在流量控制器的控制下分别进入加料器， 经过计量后进入粉料添加剂混合输送器， 经过充分混合后在重力作用下进入混炼机粉料缓冲料斗。 聚乙烯树脂与不同类型的添加剂混合， 经过200～300℃的高温加热达到熔融状态， 在双螺杆挤压机和熔融齿轮泵的作用下， 通过模板进行水下造粒，产生合格粒料。

固体添加剂秤自开工以来， 多次出现下料故障， 造成添加剂秤测量不准确， 轻者导致粒料不合格， 重则使挤压机停机， 影响工艺平稳运行，既造成经济效益损失，又留下潜在的设备停机隐患。 因此，保证添加剂秤平稳运行、仪表测量准确、工艺正常生产，至关重要。

首先，对添加剂秤及控制系统进行检查，对比同行业同类装置的添加剂秤使用情况， 发现乙烯厂使用的添加剂秤与其他装置相同， 添加剂秤大多数时间可以正常使用。 接着， 在查看历史故障和挤压机停机事件时发现添加剂秤使用不准确主要发生在夏季， 且发生的时候都出现下料管线堵塞的情况， 后来在管线中清理出大量坨状的添加剂。 最后， 分析发现添加剂秤下料不畅、 测量不准的主要原因是添加剂在30℃左右时出现粘连。 由于添加剂属于外购物料且化学属性和物理属性都满足挤压机造粒生产， 无法随便更换。 经过仪表人员多方联系和试验， 决定对下料管线进行改造以满足添加剂秤需要。

改造后的添加剂下料工艺流程如图3 所示。改造后经过长期观察，添加剂秤再未出现下料堵塞的情况，下料满足添加剂秤要求，保证了工艺的正常运行。

图3 改造后的添加剂下料工艺流程

4 涡旋管使用注意事项

涡旋管的使用注意事项有以下3 点：

a. 涡旋管制冷或制热原理已经大量运用于乙烯厂的各个装置和生产环节中，其中压缩气体的选择至关重要。 首选仪表风（压缩空气）作为制冷源，其次选择氮气。 如果选择氮气，则一定要保证其排放在安全管道中，防止现场出现氮气窒息事故。

b. 涡旋管制冷效果与压缩气体的流量、压力成比例关系，如果需要精确温度，建议在改造中增加温度计以观察制冷效果。 通过改变压缩气体流量或压力（主要为减压阀）来控制温度，防止过度制冷出现压缩气体浪费或冻凝设备的情况。

c. 制定合理的巡检计划，定期检查涡旋管的使用情况。

5 结束语

利用涡旋管制冷原理，改造分析仪表样品处理系统，使降温除水满足仪表测量要求；改造工艺下料管线，对介质进行制冷，以满足添加剂秤下料工艺的要求。 利用小部件改造，让工艺样品满足现场仪表测量需要，极大地保证了装置的平稳运行，提高了企业的经济效益。