摘 要 以某苯乙烯裝置儀表選型及安裝實(shí)例為背景，針對(duì)苯乙烯介質(zhì)易聚合，易堵，粘度大等特點(diǎn)，分析和探討了苯乙烯裝置儀表選型和應(yīng)用。并對(duì)不同參數(shù)的測(cè)量解決方案（如：采用帶吹掃差壓變送器和伽瑪射線液位計(jì)測(cè)量液位，采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)流量等）進(jìn)行了分析比較。
苯乙烯（SM）是重要的基本有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)聚苯乙烯樹脂（PS）、丁苯橡膠和丁苯膠乳（SBR/SBR 膠乳）、離子交換樹脂等化工產(chǎn)品。此外，還可用于制藥、染料、農(nóng)藥等行業(yè)，用途十分廣泛。近年來(lái)，隨著橡膠下游相關(guān)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是汽車輪胎工業(yè)的飛速發(fā)展，橡膠等消費(fèi)量呈現(xiàn)出跳躍式增長(zhǎng)，苯乙烯的需求量也飛速發(fā)展。我國(guó)苯乙烯生產(chǎn)能力遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求，缺口較大，因此，各企業(yè)要求新建或擴(kuò)建苯乙烯裝置的愿望迫切。由于測(cè)控儀表對(duì)苯乙烯裝置安全、穩(wěn)定生產(chǎn)起著關(guān)鍵作用，非常有必要研究針對(duì)苯乙烯裝置特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)儀表的合理選型和應(yīng)用。
本文以某化工廠苯乙烯裝置為例，對(duì)苯乙烯裝置的儀表選型特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用做簡(jiǎn)要的分析和探討。
1、裝置工藝特點(diǎn)及物料特性：
乙苯絕熱脫氫制苯乙烯裝置，主要由乙苯脫氫反應(yīng)系統(tǒng)、苯乙烯分離精制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成 [1]。乙苯脫氫反應(yīng)是在催化劑和水蒸氣存在的情況下，乙苯發(fā)生選擇性脫氫反應(yīng)，生成苯乙烯粗產(chǎn)品，然后進(jìn)行精餾分離等一系列加工處理，***終產(chǎn)出裝置的主產(chǎn)品 – 苯乙烯。
苯乙烯裝置的生產(chǎn)中具有高溫反應(yīng)、負(fù)壓精餾的特點(diǎn)，涉及的主要物料有干氣、苯、乙苯、苯乙烯、尾氣、阻聚劑等，大多數(shù)為易燃、易爆物質(zhì)；阻聚劑 DNBP 為劇毒類，芳烴物料有中等毒性；其中，苯對(duì)人體毒害***為嚴(yán)重。
因此，如何結(jié)合裝置工況特點(diǎn)和工藝物料特性合理進(jìn)行儀表選型是使裝置能安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證，也是做好自控設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。以下筆者將結(jié)合工況要求和物料特殊性，重點(diǎn)針對(duì)溫度、流量、液位等儀表在選型、設(shè)置方面的考慮以分析介紹。
2、采用可靠的溫度檢測(cè)，確保脫氫反應(yīng)的正常進(jìn)行：
脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的升高而增加。在乙苯脫氫反應(yīng)過(guò)程中，溫度是苯乙烯裝置脫氫反應(yīng)的重要測(cè)量指標(biāo)之一。脫氫反應(yīng)器是在高溫下操作，且反應(yīng)初期、末期的溫度、及聯(lián)鎖溫度之間的變化不大，要確保地測(cè)量溫度，測(cè)溫元件的選擇是一個(gè)十分關(guān)鍵的要素。 在溫度元件的設(shè)計(jì)選型中以下三個(gè)方面需特別注意：
（1）選用高精度的測(cè)溫元件。溫度元件的測(cè)量精度有 A、B 級(jí)，對(duì)于高溫情況下，選用符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)高精度的 K 型、R 型鎧裝絕緣型熱電偶溫度計(jì)。在設(shè)計(jì)中，確保選擇精度高、質(zhì)量好的測(cè)溫元件，排除因元件的精度誤差造成測(cè)量誤差。
（2）在多點(diǎn)熱電偶的結(jié)構(gòu)上，針對(duì)反應(yīng)器設(shè)備自帶溫度計(jì)套管的情況，配置靠壁彈簧機(jī)構(gòu)，以確保溫度的響應(yīng)時(shí)間。靠壁彈簧機(jī)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖 1。
（3）在溫度計(jì)套管的材料選用上，按不同的管道材料等級(jí)，根據(jù)高溫的情況，并考慮高溫材料的價(jià)格因素，分別選用耐熱不銹鋼 304HSS 選用 Incoloy800HT，剛玉等特殊材質(zhì)。既保證儀表測(cè)量使用的可靠性，又滿足節(jié)約費(fèi)用的要求。
圖 1 靠壁彈簧機(jī)構(gòu)示意圖
3、合理選擇流量計(jì)儀表，確保不同物料流量的正確測(cè)量：
苯乙烯是一種熱敏性物質(zhì)，極易自聚，隨溫度、濃度升高及停留時(shí)間的延長(zhǎng)，自聚速率增快，粘度不斷增加，減慢其流動(dòng)速度。根據(jù)裝置的介質(zhì)特性，為保證測(cè)量控制的正確性、有效性和可靠性，在流量?jī)x表的設(shè)計(jì)時(shí)，我們注重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行合理的選型：
（1）對(duì)苯乙烯、焦油等易聚合、高粘度的介質(zhì)，如在精餾工段，苯乙烯焦油液粘度大，選用了楔形流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。楔形流量計(jì)采用差壓原理測(cè)量流量，其檢測(cè)元件為 V 形，與孔板比，有更低的壓力損失。
（2）對(duì)苯、阻聚劑 DNBP 等有毒有害介質(zhì)化工物料的流量測(cè)量，在設(shè)計(jì)中盡量考慮選用渦街流量計(jì)等管道式流量?jī)x表，減少導(dǎo)壓管泄漏及排放。以防止苯、阻聚劑 DNBP 等有毒有害介質(zhì)泄漏對(duì)人體造成傷害，對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染。
（3）對(duì)烴化尾氣和燃料氣的計(jì)量，通常情況下，與其他液體流量計(jì)量一樣選用了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。即利用科里奧利原理來(lái)直接測(cè)量流體流過(guò)的質(zhì)量 [2]?？评飱W利原理測(cè)量液體有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度，很高的重復(fù)性，且不需要直管段，但是，測(cè)量氣體，選型還是要非常慎重。用科里奧利原理測(cè)量氣體要求氣體壓力大（氫氣測(cè)量時(shí)要幾十公斤壓力），流速不能過(guò)低也不能過(guò)高（一般低于當(dāng)?shù)匾羲俚?0.5 馬赫（1 馬赫≈ 340 m/s））。如果用科里奧利原理測(cè)量低壓低流速氣體，不僅測(cè)量精度差，可測(cè)量程比小，重復(fù)性也差，且零點(diǎn)m/s））。如果用科里奧利原理測(cè)量低壓低流速氣體，不僅測(cè)量精度差，可測(cè)量程比小，重復(fù)性也差，且零點(diǎn)不穩(wěn)定，特別是管道的震動(dòng)對(duì)表的影響較大；壓損較大；價(jià)格昂貴。
本裝置烴化尾氣、燃料氣的測(cè)量計(jì)量，從計(jì)量精度，價(jià)格等方面考慮，選用了可直接測(cè)量氣體質(zhì)量流量的熱式質(zhì)量流量計(jì)。
熱式質(zhì)量流量計(jì)利用熱傳導(dǎo)原理，即流動(dòng)中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量，采用恒溫差或恒功率法，對(duì)氣體測(cè)量。熱式質(zhì)量流量計(jì)只能用在氣體，利用各種氣體對(duì)熱的傳導(dǎo)和吸收能力的不同，測(cè)量從發(fā)熱到感應(yīng)之間的熱量傳遞或者熱能損失來(lái)對(duì)應(yīng)流速。恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理參見(jiàn)圖 2 。
圖 2 恒溫差法熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理
該流量計(jì)精度高，靈敏度高，量程比較寬，價(jià)格低、尤其適合用于大管徑（直徑可為十多米）燃料氣體的貿(mào)易計(jì)量。其壓力損失極小，可在線插拔清洗，傳感器不易堵塞，安裝維護(hù)量小。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間通常為 2~5 s，若應(yīng)用于控制系統(tǒng)不能選用響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的儀表。
科里奧利流量計(jì)與恒溫差原理熱式質(zhì)量流量計(jì)在氣體流量測(cè)量的比較見(jiàn)表 1。
4、選擇合理的檢測(cè)方案，解決易堵問(wèn)題：
由于苯乙烯易聚合為不可溶苯乙烯，為防止因聚合而堵塞管道，對(duì)苯乙烯等易聚合介質(zhì)的測(cè)量一般采用以下解決方案 [3]：
（1）在壓力檢測(cè)上，對(duì)苯乙烯塔、儲(chǔ)罐頂部等氣相壓力的測(cè)量，采用膜片密封法蘭式壓力表和壓力變送器，帶吹掃和沖洗環(huán)的方案。苯乙烯塔釜的壓力測(cè)量，引壓管采用氮?dú)獯祾叩姆绞剑苑乐构芫€因聚合堵塞而影響測(cè)量。
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表 1 科里奧利流量計(jì)與熱式質(zhì)量流量計(jì)比較 |
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儀表類型 |
科里奧利質(zhì)量流量計(jì) |
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熱式質(zhì)量流量計(jì)恒溫差原理 |
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精度 |
測(cè)量液體：±0.1% FS |
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測(cè)量氣體：±1% FS |
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測(cè)量氣體：±1% FS |
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重復(fù)性 |
較高 |
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±0.2% FS |
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量程比 |
測(cè)量氣體：20:1 |
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測(cè)量氣體：100:1 |
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壓損 |
較大 |
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DN50 以上管徑可忽略不計(jì) |
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零點(diǎn)穩(wěn)定性 |
不穩(wěn)定 |
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穩(wěn)定 |
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流體標(biāo)定 |
用水標(biāo)定 |
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氣體標(biāo)定 |
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性能可靠性 |
可靠 |
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可靠 |
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響應(yīng)時(shí)間 |
快 |
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較快，1 s 到 63% FS |
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可測(cè)***大流速 |
170 Nm/s |
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344 Nm/s |
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0℃ 1ATM 工況 |
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可測(cè)較低流速 |
與氣體壓力相關(guān) |
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0.1 Nm/s |
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0℃ 1ATM 工況 |
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可測(cè)***大壓力 |
40 MPa（高壓可定制） |
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3.5 MPa |
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耐腐蝕性 |
接液材質(zhì)可選 |
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探針材質(zhì)可選 |
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可測(cè)溫度范圍 |
-240~426℃ |
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-50~450℃ |
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前后直管段 |
無(wú)需前后直管段 |
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插入式需要前后直管段 |
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管道式只需 1D 直管段 |
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水分影響 |
無(wú)影響 |
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管道內(nèi)壁沒(méi)有凝結(jié)水均可使用 |
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安裝維護(hù)簡(jiǎn)易程度 |
必須停氣破管安裝，按照規(guī)程做好減震措施 |
可不停氣開孔安裝，不停氣在線插拔不泄露維護(hù)，金屬卡套安裝，很方便 |
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價(jià)格 |
不同管徑價(jià)格相差較大，非常昂貴 |
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管徑大小與價(jià)格關(guān)系不大，DN40 以上價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯 |
（2）在調(diào)節(jié)閥的選用上，采用如 V 型球閥等無(wú)死區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，以防止在調(diào)節(jié)閥死區(qū)形成物料積聚聚合引起閥門無(wú)法動(dòng)作而造成調(diào)節(jié)失靈。
（3）對(duì)苯乙烯塔釜的液位測(cè)量一般有兩種解決方案。一是帶吹掃和沖洗液位測(cè)量方案（參見(jiàn)圖 3）。液位測(cè)量采用差壓變送器，用氮?dú)獯祾咭龎汗芫€，氮?dú)獯祾呖谠O(shè)置盡量不留死角，以防止因聚合而造成管線堵塞，吹掃氮?dú)馔ㄟ^(guò)穩(wěn)流調(diào)壓閥使得進(jìn)入變送器正負(fù)壓室的氮?dú)鈮毫愣ㄒ恢拢_保液位的正確測(cè)量。該
圖 3 差壓液位變送器帶反吹氣 / 液示意圖
方法的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量較穩(wěn)定、可靠，價(jià)格便宜。
另有一解決方案是采用非接觸式的伽馬射線液位計(jì)（見(jiàn)圖 4）。伽馬射線液位計(jì) [4] 是利用能量衰減來(lái)測(cè)量液位。發(fā)射源（鈷 60 或者銫 137）放在一個(gè)注鉛的鋼制密封源罐內(nèi)，源罐放在容器的一側(cè)，一個(gè)棒狀的閃爍式探頭裝在容器的另一側(cè)。伽馬能量從源罐射出，穿過(guò)容器壁和物料上層空間到達(dá)探頭。當(dāng)物料的液位增加時(shí)，到達(dá)探頭的能量減少。此種測(cè)量方案其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是不接觸測(cè)量，降低自聚可能。它能對(duì)高溫、高壓密封容器或管道內(nèi)的腐蝕、高粘度、劇毒性的固、液態(tài)介質(zhì)進(jìn)行料位測(cè)量，采用放射源，標(biāo)定好以后幾乎可以做到免維護(hù)，無(wú)移動(dòng)組件，測(cè)量穩(wěn)定，精度高，運(yùn)行可靠。但是這種儀表使用時(shí)應(yīng)在儀表周圍采用防護(hù)措施，以防止射線對(duì)人體的傷害，且價(jià)格較貴。
圖 4 伽瑪射線液位計(jì)安裝示意圖
目前，苯乙烯塔釜易聚合介質(zhì)液位的測(cè)量，以上兩種方法都分別有采用。用戶可綜合考慮投資合理、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便等因素，選用合適的測(cè)量方案。本裝置采用普通差壓液位變送器帶吹掃方式來(lái)測(cè)量液位。
5 、結(jié)束語(yǔ)：
一套裝置的自控設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。儀表、控制系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性都與裝置產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗以及裝置的安全生產(chǎn)有著密不可分的聯(lián)系。但實(shí)際應(yīng)用中***容易出問(wèn)題的是儀表，因此，儀表選型顯得尤為重要。儀表選型首先要考慮到測(cè)量的準(zhǔn)確性、合理性、可靠性，其次要考慮用戶使用、維護(hù)的方便。各種儀表選型方案各有利弊，合理選用可以穩(wěn)定、可靠地監(jiān)控整個(gè)裝置的生產(chǎn)運(yùn)行。并為優(yōu)化裝置操作、消除生產(chǎn)隱患、降低能耗、提高生產(chǎn)效率，長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。
