PAC 在線微量蒸餾測定儀在催化裝置上的應(yīng)用

蔣學(xué)寧

（南京金陵石化建筑安裝工程有限公司）

煉油催化裝置的主要產(chǎn)品之一為粗汽油。 汽油的干點是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接決定汽油的質(zhì)量是否合格，對工藝參數(shù)的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。 未安裝在線微量蒸餾測定儀之前，汽油的干點只能通過人工定時采樣化驗分析獲得，生產(chǎn)車間根據(jù)人工化驗的結(jié)果對工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使汽油的干點維持在要求的控制范圍內(nèi)。 由于人工采樣間隔時間長，化驗結(jié)果滯后，在此期間產(chǎn)品質(zhì)量的波動情況操作人員也無法知曉，所以只能憑經(jīng)驗和理論上的干點值進(jìn)行相關(guān)的控制操作。 為了確保汽油的質(zhì)量，操作人員通常采取保守的控制操作，使汽油的干點適當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)離質(zhì)量指標(biāo)，這樣必然會對裝置的經(jīng)濟(jì)效益帶來負(fù)面影響。

在生產(chǎn)過程中油品的全餾程是油品質(zhì)量和應(yīng)用性質(zhì)的重要指標(biāo)，它能夠反映油品輕重成分的分布情況。 如果能及時準(zhǔn)確地獲得這一信息，生產(chǎn)操作人員就能夠掌握全塔各類產(chǎn)品的分配比例和質(zhì)量情況，及時調(diào)整塔內(nèi)溫度、壓力及回流量等參數(shù)，使各組分在保證質(zhì)量的前提下處于最佳的分配狀態(tài)，從而使企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 PAC 在線微量蒸餾測定儀

在線微量蒸餾測定儀能實時對催化裝置生產(chǎn)過程中的汽油進(jìn)行全餾程分析，并將檢測到的數(shù)據(jù)實時顯示、儲存并輸出到DCS，實現(xiàn)生產(chǎn)過程在線質(zhì)量監(jiān)測。

某催化裝置于2016 年5 月安裝MicroDist 在線微量蒸餾測定儀系統(tǒng)，并于當(dāng)月調(diào)試完成投入運行。 MicroDist 采用ASTM D7345 方法，直接關(guān)聯(lián)輸出ASTM D86 結(jié)果。 儀表標(biāo)配4 路4～20mA輸出，可以通過組態(tài)輸出從初餾點到終餾點任一點的溫度。

1.1 MicroDist 的技術(shù)參數(shù)

MicroDist 的測量精度等同甚至優(yōu)于ASTM D86，其他相關(guān)參數(shù)如下：

分析周期 小于10min

溫度范圍 20～400℃

重復(fù)性 ±1.5℃

儀表風(fēng)壓力 不低于0.4MPa

工業(yè)氮氣壓力 不低于0.4MPa

1.2 工作原理

當(dāng)樣品溫度達(dá)到某一數(shù)值， 使樣品各組分的蒸氣分壓之和恰好與外壓（大氣壓）相等，油品即開始沸騰。 測定經(jīng)校正的毛細(xì)管氣體的壓力變化，計算餾出體積。 樣品開始蒸發(fā)，壓力從零開始突升的點為初餾點（IBP），樣品完全蒸發(fā)，壓力恢復(fù)到初始壓力的點為終餾點（FBP）。 基于熱力學(xué)方程，通過得到的壓力隨時間變化的曲線，可計算得到餾出體積。 通過體積和壓力數(shù)據(jù)，可以計算出ASTM D86 結(jié)果。

1.3 MicroDist 的運行流程及常見問題

1.3.1 運行流程

MicroDist 的運行流程如圖1 所示，流程分為4 個階段：沖洗、采樣、蒸餾和數(shù)據(jù)進(jìn)程。其中沖洗階段發(fā)生在每次做樣前和做樣后，被測樣品進(jìn)入MicroDist 定量管后，通過電子冷卻單元對樣品進(jìn)行冷卻。 進(jìn)入沖洗階段時，氮氣將冷卻后的樣品打入燒瓶，對燒瓶內(nèi)的油溫進(jìn)行冷卻，然后排空，如此循環(huán)，直到燒瓶內(nèi)的油溫達(dá)到設(shè)定溫度才進(jìn)入采樣階段。 樣品采集完成初始化后，對燒瓶進(jìn)行加熱，在經(jīng)過一個完整的蒸餾過程后，經(jīng)過計算得到相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存，之后再次進(jìn)入沖洗階段，以此循環(huán)。

圖1 MicroDist 的運行流程

1.3.2 常見問題

從MicroDist 的運行情況來看，最常出現(xiàn)的問題大多都在沖洗階段，而最主要的有兩個——溫度問題和氣密問題。

1.3.2.1 溫度問題

理論上要求進(jìn)入微量蒸餾測定儀的樣品溫度最好比初餾點低10℃以下，如果進(jìn)來的樣品溫度過高，盡管儀表內(nèi)有電子冷卻系統(tǒng)，但由于其冷卻能力所限，很可能無法將燒瓶內(nèi)的油溫降到設(shè)定的蒸餾起始溫度，進(jìn)而無法進(jìn)入下一步的蒸餾程序。 即便人為提高蒸餾起始溫度的設(shè)定值，儀表也會因為無法找到初餾點而報錯。 對于初餾點只有30℃左右的汽油來說，如何將50℃的樣品溫度降到20℃左右，是首先要解決的一個問題。

1.3.2.2 氣密問題

根據(jù)儀表的工作原理，可知微量蒸餾測定儀的測定是利用經(jīng)校正的毛細(xì)管氣體的壓力變化計算餾出體積，所以對氣路部分的氣密性要求非常高。 每次做樣前都要對儀表的氣密性進(jìn)行檢測，在做氣密性檢測時，每次只允許氣壓有幾毫巴（1 巴=105帕）的降幅，否則會認(rèn)為儀表氣密性不合格而報錯。

PAC 微量蒸餾測定儀氣路復(fù)雜，氣路各部件由軟管和快速接頭連接，且進(jìn)油路部分三通閥和六通閥的內(nèi)漏也會對氣路造成影響。 因此在實際使用過程中，查找漏點是儀表維護(hù)過程中工作量最大的環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

整套在線微量蒸餾測定儀系統(tǒng)由MicroDist在線微量蒸餾測定儀、預(yù)處理系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和分析小屋構(gòu)成。

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 為減少測量的滯后時間，樣品在進(jìn)入預(yù)處理箱之前先進(jìn)入一個快速流路， 快速流路中的樣品不需要進(jìn)行處理，只需在快速流路中安裝一個自清洗三通過濾器F，將過濾后的樣品引入預(yù)處理箱。

圖2 預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為防止樣品汽化，一定要采取先降溫后減壓的方式。 原設(shè)計中樣品進(jìn)口溫度為40℃，初餾點為33℃，因此在原設(shè)計方案中采取的是VORTEX旋風(fēng)冷凝的方式對樣品進(jìn)行降溫。 但實際投用時，樣品溫度經(jīng)常在50℃以上，初餾點的實測值一般都在28℃左右。 因此原設(shè)計的冷卻效果達(dá)不到儀表的運行要求，尤其在夏季，儀表無法正常運行。 由于催化裝置有一套過冷水系統(tǒng)，因此筆者對原預(yù)處理進(jìn)行了改造，在樣品進(jìn)入預(yù)處理前增加了一個水冷器， 冷卻水在夏季采用過冷水，其他季節(jié)采用裝置的循環(huán)冷卻水。 改造后效果非常理想。

冷卻后的樣品降至20℃左右，經(jīng)過降壓穩(wěn)流后進(jìn)入MicroDist。 由于MicroDist 還需樣品對蒸餾組件的出口進(jìn)行降溫冷卻，因此樣品的流量不能過低， 實際使用中將樣品的流量控制在15～20L/h。 但流量也不宜過大，過大的流量會增大預(yù)處理冷卻負(fù)荷，同時對測量也會產(chǎn)生影響。

樣品經(jīng)過MicroDist 后返回預(yù)處理箱，通過背壓閥穩(wěn)壓后排至回收系統(tǒng)。 在實際應(yīng)用中，將減壓閥調(diào)至4bar，背壓閥調(diào)至1.5bar 左右。 另外還需說明的是， 儀表還有兩路排口需引入回收系統(tǒng)：一路是帶液的廢氣；一路是儀表內(nèi)部冷凝的廢液，這路廢液一定要自流到回收系統(tǒng)。 這部分的流量約為2L/h。

2.2 回收系統(tǒng)

回收系統(tǒng)主要由不銹鋼回收罐、 帶控制觸點的磁翻板液位計和兩個進(jìn)口防爆泵構(gòu)成， 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 儀表產(chǎn)生的廢油由于壓力低，無法返回工藝管道中，只能先用回收罐進(jìn)行收集。當(dāng)回收罐中的液位達(dá)到上限時，控制系統(tǒng)啟動泵，將油打回指定的工藝管線中， 當(dāng)液位下降至下限時泵停止工作。 兩臺泵一備一用，手動切換。 磁翻板液位計還帶有上上限觸點， 當(dāng)在用的泵工作不正常時會造成回收罐液位持續(xù)上升， 當(dāng)液位超過上限達(dá)到上上限時，控制系統(tǒng)會讓兩臺泵同時工作。

2.3 分析小屋

分析小屋布置如圖4 所示。 分析小屋為不銹鋼材質(zhì)，MicroDist 安裝在小屋內(nèi)， 預(yù)處理系統(tǒng)和回收系統(tǒng)安裝集成在小屋外。 小屋內(nèi)照明、開關(guān)、接線箱、排風(fēng)扇和空調(diào)系統(tǒng)均為防爆產(chǎn)品。 小屋接有CO 和可燃?xì)鈭缶瘍x，PLC 控制系統(tǒng)安裝在防爆箱內(nèi)，小屋排風(fēng)扇每15min 自動啟動，將小屋內(nèi)的空氣置換一次。 MicroDist 為正壓防爆儀表，引入分析小屋的儀表風(fēng)和氮氣壓力均不能低于4bar。

3 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統(tǒng)投用注意事項

MicroDist 在投用時要注意儀表參數(shù)設(shè)置中起始溫度的設(shè)置，前文已經(jīng)說明要確保儀表長期穩(wěn)定工作，其蒸餾起始溫度最好設(shè)定在低于初餾點10℃左右， 夏季起始溫度可以略微上調(diào)一些。具體做法是， 進(jìn)入儀表SETUP→DISTIL→DETAILS→PARAM 菜單，將Start Tmp 改為手動，設(shè)定溫度低于初餾點10℃左右即可。Start Tmp 溫度也不宜設(shè)置過低，原因是儀表電子冷卻單元冷卻能力有限，溫度設(shè)置過低會造成儀表無法降到指定溫度而不停地進(jìn)行降溫循環(huán)。

圖3 回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 分析小屋布置圖

由于MicroDist 的蒸餾體積只有10mL， 因此測量周期較短，一般10min 左右就能得出一個結(jié)果。 在本裝置中只輸出一路FBP 數(shù)值，數(shù)值比同時間質(zhì)檢中心的數(shù)據(jù)低2℃左右， 但數(shù)據(jù)的歷史趨勢與質(zhì)檢中心的數(shù)據(jù)完全一致。 在儀表的偏移量設(shè)置中將FBP 上調(diào)了2℃， 儀表的測量數(shù)據(jù)和質(zhì)檢中心同時期的數(shù)據(jù)偏差一直沒有超過1℃，質(zhì)檢中心也因此大幅降低了采樣頻率。

4 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統(tǒng)改進(jìn)方案

MicroDist 在線蒸餾測定儀系統(tǒng)在催化裝置中應(yīng)用情況良好，給工藝生產(chǎn)提供了非常有效的技術(shù)指標(biāo)。 根據(jù)實際應(yīng)用情況，本系統(tǒng)還可以有一些改進(jìn)方案。

相對于低初餾點的汽油而言，有效地降低進(jìn)儀表前的油溫是一個非常重要的環(huán)節(jié)。 在本系統(tǒng)中，由于設(shè)計對工藝條件的誤判，造成原降溫系統(tǒng)不能滿足儀表的需求，盡管后來采用過冷水冷卻方案解決了該問題，但由于不是每個裝置都會有過冷水，因此這個方案的適用范圍有限。 后來在其他裝置上采用了防爆電制冷的方案，電制冷后的冷卻水溫度即便在夏季也能達(dá)到10℃以下，所以盡管后來的裝置油溫均超過了設(shè)計溫度，但用電制冷后的冷卻水對油溫進(jìn)行降溫，有效地解決了這個問題。

樣品經(jīng)過預(yù)處理進(jìn)入儀表的流量大約為20L/h，儀表如果長期穩(wěn)定地運行，每天會有幾百升的汽油進(jìn)入回收罐，這些汽油都是未被污染的產(chǎn)品。同時儀表本身還會有約2L/h 的廢油進(jìn)入回收罐。 這兩種油品若在回收罐中混合只能按廢油處理，造成浪費。 由于儀表本身對壓力要求不高，所以只需將廢油引入回收系統(tǒng)，另一部分未污染的油品可以采用適當(dāng)調(diào)大背壓閥的方法將油品直接打入低壓管線中重新收集起來。 這樣不僅減少了生產(chǎn)成本，而且還能大幅降低回收泵啟動頻率，減少回收系統(tǒng)的維護(hù)工作量，有效提高回收系統(tǒng)的使用壽命。

5 MicroDist 在線蒸餾測定儀系統(tǒng)存在的問題

MicroDist 在線蒸餾測定儀系統(tǒng)測量周期短，測量數(shù)值準(zhǔn)確， 能夠很好地滿足工藝生產(chǎn)的需求，但同時也存在一些客觀問題，其中最大的問題就是廠家技術(shù)支持的力度不夠。

目前該系統(tǒng)在國內(nèi)使用數(shù)量不多，國外廠家對國內(nèi)的技術(shù)支持力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 而國內(nèi)的代理商不具備技術(shù)支持的能力，基本上只能做備件采購的業(yè)務(wù)。 一旦儀表出現(xiàn)故障，維保人員只能通過國內(nèi)代理商用電子郵件的方式獲得國外工程師的技術(shù)支持，不僅周期很長，而且經(jīng)常也得不到具體的方案， 只能得到幾個大概的解決方向，最終還是要靠維保人員自行摸索解決，因此相關(guān)的儀表維護(hù)人員需要具備相當(dāng)高的技術(shù)能力和責(zé)任心。 不過隨著該系統(tǒng)應(yīng)用的不斷增多，這種狀況也會逐步得到改善。

6 結(jié)束語

由于這套餾程系統(tǒng)首次用于國內(nèi)的汽油餾程在線分析，無論是設(shè)計還是在實際使用過程中都出現(xiàn)了一些問題，經(jīng)過對預(yù)處理系統(tǒng)的改造和儀表測量參數(shù)的調(diào)整，該系統(tǒng)已經(jīng)很好地應(yīng)用在煉油催化裝置中，實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中油品全餾程參數(shù)的動態(tài)變化，給生產(chǎn)提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。 目前廠里的3 套催化裝置均使用該系統(tǒng)對汽油的餾程進(jìn)行監(jiān)控，廠里的質(zhì)檢中心已經(jīng)不再對汽油的餾程進(jìn)行取樣檢測，也完全滿足了工藝生產(chǎn)的要求。