多流路气相色谱分析系统在氯乙烯生产中的应用

周 富，何欢欢

（1.陕西金泰化学科技集团有限公司，陕西 榆林 719000；
2.陕西金泰氯碱化工有限公司，陕西 榆林 719000）

陕西金泰氯碱神木化工有限公司（以下简称陕西金泰）， 从乙炔工序送来的精制乙炔气 （质量分数≥99%）经乙炔阻火器后，与氯化氢工段送来的氯化氢（质量分数≥93%，不含游离氯）在混合器以1∶1.03～1∶1.10的比例混合后进入预热器，预热至70～85 ℃送入装有触媒的转化器反应生成粗氯乙烯。

在生产过程中，要严格按照生产流量及时进行乙炔、氯化氢配比调节，严禁乙炔过量，乙炔过量可使氯乙烯的转化率降低， 严重时会导致转化器中触媒中毒失去活性，造成较大的经济损失。

转化器是氯化氢和乙炔合成反应，生成氯乙烯的重要设备。

提高氯乙烯的转化率，在很大程度提高聚氯乙烯单体的纯度，降低后续设备的生产负荷， 这对降低能耗和降低风险具有重要意义。

因此，生产过程中快速、准确地获得转化器中乙炔和氯化氢气体的浓度检测数据至关重要， 在线气相色谱分析系统能够快速、 准确地进行氯乙烯高频次分析监测，且可将数据自动上传至DCS 控制系统以便于及时监测[1]，可以避免传统人工取样分析带来的滞后性。

陕西金泰对混合器、40 台转化器和转化器气相出口总管的气体，共42 路采样点用一台多流路气相色谱分析仪进行浓度检测。

陕西金泰采用的多流路气相色谱分析仪主要检测介质为VCM、乙炔、氯化氢和水蒸气等，利用混合物中各个组分在互不相溶的两相（固定相和流动相）之间的分配差异，在两相中进行多次平衡，使混合物得到分离后，采用TCD 方法测量。通过样品输送泵、切换阀等部件将所要分析检验的样品传送至气相色谱仪，当气化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在色谱柱的两相间进行多次分配， 由于固定相对各组分的吸附或溶解能力不同， 各组分在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流讯号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰，多流路气相色谱分析仪原理见图1。

所得色谱峰再经过色谱工作站的自动积分和计算得出试样中各组分的含量， 最后通过modbus TCP/IP 的方式与DCS通讯将分析检验数据实时传送至DCS 生产控制系统，用于指导和调整生产[2]。

图1 多流路气相色谱分析仪原理

多流路气相色谱分析仪系统主要由采样探头、传输管线、预处理装置、排放管线、气相色谱分析仪和分析小屋组成。

采样探头由过滤式探头、 粗过滤器及相关附件组成，采样探管的长度根据管道直径和壁厚确定，一般应插入管道的1/3～1/2， 使所取的样品有代表性。采用过滤式探头， 用粗过滤器去除样气中较大粒径的颗粒粉尘和杂质。

为避免长时间使用导致滤芯堵塞， 高流速介质、 大管径等场合宜计算采样探头长度，必要时采样探头宜设加强管保护。

样品传输管线采用一体化管缆，如有伴热需要，应选择自控温电伴热一体化管缆， 采样管线的绝热材料选用聚苯乙烯、硅酸铝、聚氨酯等，严禁使用石棉。

传输管线可以优化设计适当放大管线口径以满足分析周期的要求。

预处理装置包括气液分离罐，冷却器（风冷），集液罐，手动阀，样品过滤器，样品流量计，采样泵，标定系统，紧急切断系统等。

气相色谱分析仪由TCD 检测器、柱箱、样品阀、柱阀和色谱柱等组成[3，4]，见表1。

表1 气相色谱分析仪组成

因考虑工艺管道样气中可能存在催化剂颗粒的情况，故采用过滤式探头。在探针的前端带前置式粗过滤器。探头垂直或者倾斜安装，可使工艺管道内的粉尘不易在粗过滤器和法兰管径处聚集。

探头出口配置手动关断球阀。对于气相试样，应保证其样品在管线传输过程中的温度高于露点， 且应避免产生死区并尽量减小采样系统总容量[5]。

对需要加热或要防冻的取样管线，采用预制好的一体化电伴热管缆。当电伴热管线无法满足要求时， 可采用蒸汽伴热管缆。所有伴热管缆均为预制好的一体化管缆，保温材料必须为非吸湿的无机玻璃纤维， 水溶氯含量不超过10 mg/kg。管缆外护套必须采用阻燃型。样品管线需要采用一体化管缆时， 穿墙采用管缆穿板专用热缩接头。

采样预处理系统固定在预处理箱内的金属安装板上，安装在分析小屋的外墙上。取样系统包含入口手动开关球阀，T 型过滤器，进样控制阀，可控制样品保持进样或旁通状态。

进仪表前配置标定进样控制阀，预处理箱外配置8 L 标准气。仪表进样前配置进样流量计和精细过滤器， 采样处理系统保证处理后的试样中不含杂质， 并具备试样特点和分析要求。

仪表出口样气返回大气平衡阀。

采样处理系统安装在金属支架上， 放置分析小屋的外墙上。用螺栓螺母将元件固定在金属板上，小元件可使用连接管路进行支撑。管路的布置应合理，单个元件的拆除不能影响其他元件。

表面操作温度超过65 ℃时必须有防烫保护。还应保证指示表易于读数且合理分组，过滤器的过滤元件易于更换。

采样处理系统需要温度控制， 防冻或环境保护时，应将整个系统安装在保护箱内。加热形式为蒸汽伴热或电加热， 箱体安装温度计。

保温材料为阻燃型，不使用石棉，矿棉中的氯含量不超过10 mg/kg。箱体及其附件（门荷叶、门扣、连接螺栓、铰链和锁等） 的材质为不锈钢SS304。

箱门的尺寸和位置恰当。

箱内元件周围的空间必须满足于允许正常的维护和拆除。进出箱子的管线应采用穿板接头。电源开关和公用工程切断阀安装在箱外。

分析小屋内设置可燃气体检测器， 低氧检测器和有毒气体检测器 （按分析仪的分析气体组分考虑）。

检测器4～20 mA 模拟信号通过小屋外接线箱接至GDS 系统，接点信号连至分析小屋报警控制系统PLC。

分析小屋外设置旋转式闪光报警灯和报警喇叭，室内设置声光报警器。通过报警器可识别有毒或可燃气体高报警和高高报警。

报警控制系统防爆控制盘上集成报警信号指示灯，分别为正常指示灯、黄色报警指示灯（可燃气体一级报警、风机故障、室温报警）、红色紧急指示灯（可燃气体二级报警、有毒气体、低氧报警、新风报警和紧急报警）。报警系统防爆控制箱上设计4 个按钮， 分别用于测试、 紧急报警、 报警确认和联锁复位。

小屋门外分别设置可燃气体、有毒气体和低氧的旋转报警器，并设置1 个防爆报警按钮（蘑菇头型），便于人员撤离时报警。报警系统防爆控制箱内装有一套可编程控制器PLC。

可燃气体检测器、氧气检测器、有毒气体检 测器等报警信号（接点）送至PLC，实现报警联锁功能。可燃气体检测器、氧气检测器、有毒气体检测器模拟量信号送至GDS。

当小屋内氧气含量及可燃、有毒气体浓度达到报警值时， 报警控制箱上的报警指示灯及屋外防爆旋转报警器报警，禁止人员进入小屋，直到工作人员确认且报警解除为止。

陕西金泰采用的多流路气相色谱分析仪MAXUM edition II 是一种适合灵活过程应用的通用过程气相色谱仪， 其可分析所有生产阶段中的气体和液体的化学成分，由于灵活的应用可能性，其可用于分析初始材料、 最终产品及副产品。

本身具有耐用、 专门设计的硬件和软件可自动从过程中提取样本，并注入到色谱分析填充柱中。凭借其高性能的软件和硬件，可满足测量重复性的最高要求，并可在无需人工介入情况下长期运行。

多流路气相色谱分析仪系统管阀件均采用进口PFA 材质的管阀件，耐腐蚀；
使用使命长，增加了整体的可靠性，降低了维护成本；
系统装有水冷装置和涡旋制冷除液器， 防止样气中的气体冷凝对测量造成干扰；
由于氯化氢和乙炔混合气有毒，系统预留了吹扫口，可对整个系统进行吹扫，防止在维护系统时管路中的残气对操作人员造成伤害；

系统装有切断阀和可燃气体报警仪， 当出现泄漏时报警仪在报警同时输出开关量信号，关闭样气进口阀门。

陕西金泰对混合器、40 台转化器和转化器气相出口总管的气体，共42 路采样点用一台多流路气相色谱分析仪进行浓度检测，色谱和小屋内PLC 控制系统采用modbus 通讯， 色谱发送进样指令给PLC控制系统，输出测量信号的同时，发出流路识别信号告知PLC。

PLC 控制系统和色谱的所有信号通过modbus TCP/IP 的方式与DCS 进行通讯。

所有流路的采样回路设置自动切换方式，且采样顺序可根据要求进行调整切换，多流路气相色谱分析仪系统见图2。

图2 多流路气相色谱分析仪系统

陕西金泰对混合器和转化器气相出口总管两处取样点每2 h 分析一次，40 台转化器24 h 内能全部分析完成。

色谱每流路的分析周期为8 min，所以多流路巡检PLC 控制程序为流路1～流路40 的40 台转化器采样点（至少24 h 内分析一次），流路41 为混合器采样点（至少2 h 内分析一次），流路42 为转化器气相出口总管取样点（至少2 h 内分析一次）。所以流路1～流路10 按序列巡检完后，流路41 和流路42 紧接着进行分析， 满足至少2 h 内分析一次（实际96 min 分析一次）。

紧接流路11～流路20 按序列巡检完后， 流路41 和流路42 继续接入进行分析。依次类推，流路1～流路40 每分析10 个流路，插入流路41 和流路42 分析一次。完整42 个流路巡检一遍的分析周期为6.4 h（满足流路1～流路40 至少2 h 内分析一次）。

流路1 在进样时， 流路1 的进样口打开， 流路2～流路42 的进样口均关闭状态， 因为所有流路的样气均含可燃、有毒有害样品，故在预处理箱内配置仪表风吹扫，防止机箱内有毒有害气体聚集[6]。

同时机箱内配置气体检测器， 气体检测器的报警节点接入PLC 控制系统，当气体检测器报警时，预处理箱外声光报警器工作，同时PLC 控制所有样品进样阀关闭，只待检修完毕，排除故障后重新开启[7]。

因为所有流路的样气均含可燃、有毒有害样品，必须使样品完全返回工艺管线中。

将预处理箱内旁路大流量的样品接入小屋快速回路总管， 最终接入现场低压返回管线。

预处理箱内配置低压N2吹扫，在检维修维护时，先打开N2吹扫，将预留在管线内的样气置换干净后再拆卸管阀件维护。

预处理箱内配置防爆电加热器，维持稳定的温度，避免样气出现相态变化，也可确保分析仪测量稳定性[8]。

由于生产连续性的需要，气相色谱通常都是24 h运行，很难对仪器进行系统清洗、维护。

一旦有设备检修停车机会，有必要根据分析仪运行的实际情况，尽可能对分析仪的重点部件进行彻底的清洗和维护。

气相色谱仪在运行一段时间后，由于静电原因，仪器内部容易吸附较多的灰尘；

电路板及电路板插口除吸附有积尘外， 还经常和某些有机蒸气吸附在一起；
因为部分有机物的凝固点较低，在进样口位置经常发现凝固的有机物， 分流管线在使用一段时间后，内径变细，甚至被有机物堵塞；
在使用过程中，TCD 检测器很有可能被有机物污染，因此要保持检测器的清洁、畅通，并且经常进行试漏检查，确保整个流路系统不漏气，严格按照说明书要求，进行规范操作，这是正确使用和科学保养仪器的前提。

陕西金泰对混合器、 转化器气相出口总管和40 台转化器的气体用一台多流路气相色谱分析仪进行浓度检测，可以快速、准确地获得取样点处乙炔和氯化氢气体的浓度检测数据， 严格按照生产流量及时进行乙炔、氯化氢配比调节，提高氯乙烯的转化率，提高聚氯乙烯单体的纯度，降低了后续设备的生产负荷，提高了企业经济效益，降低了人员采样的劳动强度。

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