进阶版 | 有关分析仪表样品处理系统设计及实例讲解!

文摘   2024-10-24 07:01   陕西  
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在线分析仪的选型和安装至关重要,尤其是在防爆区域。确保分析仪符合防爆要求并能有效与DCS进行数据通信,是提升生产安全和效率的关键环节。本期将深入探讨在线分析仪的安装要求、分析仪表样品处理系统设计以及真实应用方案分享,旨在为行业同仁提供实用的指导和参考。
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我们所说的分析仪表来说,它不只是一台仪器而已,在石化行业安装的分析仪表其实是一个完整的系统,包括采样、预处理、分析、回收或排放等各个单元,还有微处理器和通信接口以及显示屏等等。

当在线分析仪的检测器不直接安装在工艺管线时,就需要配置样品处理系统。在线分析仪能否长周期可靠运行,从目前来看,并不取决于在线分析仪本身,而是取决于样品取样处理系统的完善程度和可靠性。

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分析仪表样品处理系统设计是如何做的?

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样品处理系统设计目标



样品预处理系统设计的基本目标是尽量简单化,减少滞后时间和故障率,并降低维护工作量。

包括确保处理后的样品符合分析仪器的要求,在线分析结果准确无误(或相对无误),同时最大限度地减少工艺样品消耗量,以实现长期稳定可靠运行,并且易于操作和维护。

具体设计内容包括计算部分(如样品传输滞后时间计算、样品熔点/露点计算、样品伴热/冷却计算)和方案设计部分(如系统方案设计、性能检测与控制方案设计、样品处理方案设计以及保温/伴热和冷却方案设计)等等。

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分析仪表防爆要求、材料选择



分析仪表防爆要求主要包括电伴热管缆、电伴热减压阀、电加热器、防爆控制箱和检测仪表的防爆等级。根据设计院或用户要求确定部件的防爆等级,并确定以下内容:部件采用何种方法/形式进行防爆,以及部件最高表面温度。

常用材料有金属、塑料/合成橡胶和玻璃等,选择材料时要考虑工艺样品条件以及材料对成分的吸附作用。此外,还需考虑公共工程和安装条件以及环境因素,并综合性价比进行选择。
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分析仪表取样位置、取样探头



样品取样位置应能更好地反映工艺流体性质和组成变化,并尽量减小传输滞后时间。同时要考虑到构成快速循环回路的工艺压差位置,并使得样品温度、压力、清洁度和干燥度等条件接近分析仪器所需求的条件。不能直接在管壁上钻孔取样,因为无法保证样品的代表性。

不论是流体处于层流或紊流状态时,还是湍流状态下取出样品都难以确保其代表性。而且,由于管道内壁会吸收或吸附物质,这会导致记忆效应,并在实际浓度较低时发生解吸现象,从而改变了样品的组成。特别是对微量组分进行分析时,这种影响尤为明显。

取样探头可以分为固定直通式、不停车带压可插拔式、功能组合式、过滤式、伴热式、冷却式和反吹式等多种类型。还有一些配置了伴热汽化减压阀或定期反吹系统,以及过滤、回流和冷却功能,并能控制样品出口温度的取样装置。
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样品系统取样管线



样品传输管线材质的选择原则:应选用能耐介质腐蚀、承受介质压力能力强、对介质吸附作用最小且成本较低的管线材料。

在选择样品传送管线时,首选应为经过退火处理的316不锈钢无缝Tube管。

连接方式应采用压接,并使用双卡套式压接接头,其材料和规格应与管子相匹配。除非非金属管子和管件具有明显优势并得到用户允许,否则应避免使用它们。紫铜管子和管件仅适用于气动和伴热系统,不能用于样品传送。

通过公式计算确定管径尺寸ΔP=1/2λ×L/d×ρv2,根据经验可确定不同样品类型的管径尺寸:气体样品为6mm或1/4″OD Tube,液体样品为10mm或3/8″OD Tube,快速循环回路或脏污样品为12mm或1/2″OD Tube。在侧线时可以使用较大口径的3/4pipe、1pipe来处理大口径样品管线。
由于管子的承压能力与壁厚和样品温度相关,一般工程设计对常用管子的管壁厚度有以下要求:φ3×0.7或1/8″×0.028、φ6×1.0或1/4″×0.035、φ10×1.0或3/8″×0.035、φ12×1.5或1/2″×0.049。
管线吹扫:样品里可能有直径小于7µm的杂质;在38℃下,如果样品粘度超过500cSt,可能会凝固或结晶;此外,样品还有腐蚀性或毒性特点;常用的吹扫介质是蒸汽和氮气。吹扫方式是从传输管线出口处向入口处进行反向吹扫。
保温伴热选择:如果管道中含有易冷凝物质,需要保持温度高于露点;如果是易挥发液体,则需保持温度低于蒸发温度或压力高于蒸气压。微量分析样品(尤其是水和氧)必须通过热输送进行,因为低温会增强管壁吸附效应并减弱解吸效应。对于容易结晶、凝析的特殊样品,在传输过程中也需要控制温度。
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样品处理



满足在线分析仪表的要求,同时也满足工艺操作对滞后时间的要求。主要的样品处理过程包括样品流量调节、流路切换、样品压力调节(采用负压或微正压,小于0.01MPa)、气体增流排放系统中的增压、样品温度调节、样品除尘、样品除水、样品除油以及预防和处理有害物质易自聚和凝固问题以及对样品传输管线进行处理措施等,最终实现有效的样品排放。

样品流量调节的主要部件有球阀,用来控制流量的开关。旋塞阀可以通过全开、全关和半开(节流)三种方式来控制流量。针阀用于微调样品的流量和压力。稳流阀则是为了保持样品的稳定流量和压力。限流阀起到限制样品流量不超过允许值,并提供安全保护作用。单向阀允许样品单向流动,同时避免逆向流动发生。而使用流量计可以测量并指示实际的样品流速。
流路切换主要应用于工业色谱仪在进行多流路分析时的流路切换。目前,常见的流路切换方式包括切断和排放形式、反吹形式以及阀组形式。
压力调节部件主要有减压阀,用来降低样品的压力;安全阀适用于高压样品,当样品的压力超过设定值时会释放出来,以保护后续部件和分析仪器的安全;水封稳压器适用于低压样品,为分析仪器提供恒定的气体压力;而压力表则是测量并显示样品的气体压力。气体样品减压包括高压气体减压、背压调节、蒸汽和电补热减压以及汽化减压。液体样品减压部件包括液体减压阀、减压杆和限流孔板。
分析仪器对除尘要求的粒径通常小于10µm,具体情况需根据特定分析仪器对除尘要求而定。除尘方法有过滤器除尘、旋风分离除尘、静电除尘和水洗除尘等。
除水要求,将气体样品的露点降至常温(15~20℃);除湿要求,将气体样品的露点降至约5℃。除水方法包括冷却降温、惯性分离、过滤和干燥等几种。
根据油份浓度的不同分类及相应处理措施如下:
当油份浓度在200~600mg/m3时,可采用装有金属过滤网和球形填料的器件来除去大量油份;当油份浓度在10~30mg/m3时,可以使用油雾分离器进行除油操作;而当油份浓度小于10mg/m3时,则可通过脱脂棉来去除。使样品气体处于常温、压力为0.01-0.2MPa的条件下,确保其达到饱和状态。常见的除油设备包括粗除油器、细除油器和水洗装置。
气体样品的排放方式包括快速回路出口排放和大气分析仪表出口排放。其中,快速回路出口可以选择排入火炬、返回工艺或者通过恒压排放系统排入火炬或低压管道;而大气分析仪表出口则可直接排入大气、稀释后再排入大气。液体样品的排放方式包括就地排放和返回工艺排放。就地排放适用于无毒、无害、无危险的情况;而返回工艺排放则是将样品接在分析仪表管线上,通过泵输送进入工艺管道,在经过回收罐处理后再次使用泵进行输送。
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样品传输滞后时间计算



影响分析滞后时间的因素包括样品传输延迟和分析仪器的响应时间。

常用样品传输滞后时间计算方法:体积流量计算法T=V/F
在计算时需要主要考虑以下因素:纯容积滞后、浓度变化滞后、状态变化对结果的影响、液体体积随温度变化引起的影响、气体体积随温度和压力变化带来的影响,以及液体汽化后导致的体积变化和快速回路所产生的影响。
评估样品取样处理系统性能的标准包括滞后时间、失真度和无故障运行周期。
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特殊的样品系统应用方案

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乙烯裂解气色谱样品取样处理系统



  • 技术方案:

采用裂解气PYGAS型旋冷仪取样装置,该装置配备了气动温度控制器和电动温度控制器。样品取样处理系统使用恒低温干燥除油雾,并进行可视聚结净化。为保持适宜温度,样品传输管线、样品取样处理系统箱体以及与工业色谱仪相连的样品管线均设置伴热温度在30~40℃之间。

  • 主要特点:
YQXL-PYGAS型旋冷仪直接安装在工艺管道上,具有自清洗滤网功能。旋冷仪的样品出口控温以自动方式运行,维护量小。
伴热的样品传输管线使其中的样品温度始终高于旋冷仪的出口温度,不会有凝液析出。样品取样处理系统中的恒低温干燥器可将样品露点控制到3±1℃,可将样品中的油雾清除干净,其后级的可视聚结器将进一步净化样品气体,同时可观察样品处理的效果。
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合成氨装置样品取样处理系统



适用用于合成氨装置对H2、N2、NH3、CH4分析时的样品处理,为工业色谱仪等分析仪表提供合格样气。

适用的样品条件:

温度:30~200℃             

压力:2.5~32MPa

湿度:0~1%(体积浓度)  

油份浓度:0~500mg/m3

杂质含量:≦100 mg/m3
  • 技术方案:
在取样点处进行高压样品的过滤、减压、安全放空,在分析仪表前对样品进行旁通流量调节、油雾和水分的沉降过滤、聚结、膜式过滤、分析样品流量调节。
  • 产品特点:
样品减压站具有在线过滤、减压、安全放空等功能。样品处理单元对样品进行旁通、沉降过滤、聚结、膜式过滤等处理措施。沉降和聚结节液体可通过可视集液罐定期排放。进分析仪表的样品洁净、流量稳定。各部件能抗氨气腐蚀。
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石化行业分析仪表安装要求是什么?

在线分析仪选型必须符合所在区域的防爆要求,并与DCS进行数据通信,并配备冗余的MODBUS通信接口。分析仪表信号应以4~20mA信号硬连接至DCS、SIS系统,分析仪公共故障信号送DCS系统报警。
复杂的分析仪表应该尽量集中安装在现场的分析小屋里,这个小屋需要配备采样单元、样品预处理单元,还要有防爆空调、通风系统,以及防爆电源盘和照明灯,同时也要有安全保护系统,并且需要提供载气和标准气钢瓶等公用工程设施。
现场分析小屋应该配备电源、气源、载气、标准气、防爆风机和防爆空调等设备。提供有毒气体、可燃气体和氧气检测器以及安全保护系统,并在分析小屋外部设置声光报警,同时在中心控制室显示报警信息。
分析小屋应该单独设置开放式的载气和标气间(与分析小屋分开设置),并且要按照规范来安装相关的气体检测报警器,用于环保目的的分析小屋还需要安装摄像头和门禁系统,分析小屋在设计时应该预留两个空间,用于新增加的分析仪表。
涉及产品质量、环保、联锁等有关的关键分析仪表,其预处理系统流量、压力、温度、载气压力、分析小屋温度以及故障报警等信号应该远传至DCS系统。
含有H2S、CO等有毒有害或带异味物质的分析仪系统,其尾气(液)应该设置回收系统。
分析仪表样品系统安装、电源、气源和电缆等相关设施都需要符合现场规范。

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编辑:星辰   |  校对:任三多、甜甜

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