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氯化氢合成炉氯气测量不准原因分析及改造方案

摘要:分析了原阿牛巴流量计氯气流量测量不准的原因。经过技术分析,将原阿牛巴流量计改造为节流孔板流量计。改造后,氯化氢合成炉运行状况良好,一般只需1h便可点火成功,实现了氯气流量的准确测量。
青某化工一期钾碱装置氯化氢合成工序采用的是法国卡朋罗兰工艺,该装置承担着氯化氢合成、生产合格的氯化氢气体并外送、不合格氯化氢气体吸收等任务。该工序由两条相同的工艺链A、B组成,主要设备包括氯化氢石墨合成炉、成品冷却器及降膜吸收器等。工艺流程为:将来自电解工序的干氯气和干氢气按照流量比1.0∶1.5送入氯化氢石墨合成炉,充分反应后得到的氯化氢气体经成品冷却器冷却后进入氯化氢分配台;开车阶段,纯度低的氯化氢气体进入降膜吸收器用水或稀盐酸吸收成为浓盐酸,纯度达到工艺要求的氯化氢气体经成品冷却器送往氯乙烯装置。自2010年10月份试车以来,氯化氢合成炉点火时间长且不稳定,最长点火时间高达6h甚至点火失败,经济损失巨大。经分析发现,氯气流量测量不准造成氯气和氢气配比不准,导致合成炉点火时间长,且经常无法点火,甚至发生合成炉系统爆炸着火等事故。为保障氯化氢合成炉的正常稳定运行,对现有的氯气流量仪表进行技术改造势在必行。
1原氯气流量测量方案
1.1点火工艺控制要求
氯化氢合成炉开始点火时,氢气和空气先点小火,通入氯气后再缓慢降低空气流量。氢气和氯气流量为斜坡自动控制,初始流量设定值为0,随着时间增加流量值缓慢递增,其时序图如图1所示。
1.2流量仪表简介
氯化氢合成工序选用的氯气流量计是罗斯蒙特485型插入式一体化阿牛巴流量计,该流量计具有安装简便、压损小、强度高、不受磨损影响及无泄漏等优点,被广泛应用于工矿企业高炉煤气、压缩空气及蒸汽等液体、气体的流量测量。其流量测量范围为0~2500Nm3/h,对应的差压变送器量程为0~1.263kPa,介质设计压力183kPa,介质温度42.3℃,管道内径207mm。其工作原理为:通过测量管道轴线多点流速来反映整个管道的流量分布情况,在迎流面测量总压(正压),在背流面或管壁测量静压(负压),两者压差的平方根与介质流量呈线性对应关系。
氢气和空气流量仪表均为一体化孔板流量计
1.3原因分析
在点火过程中氯气流量稳定值为400Nm3/h,而氯气流量仪表最大量程为2500Nm3/h,这就要求仪表必须在小流量测量稳定可靠后才能保证点火工作的顺利进行。另外,该阿牛巴流量差压变送器量程很小,压差平方根与流量呈线性对应关系,因此压差测量有较小误差时便会引起较大的流量变化。对于该阿牛巴流量计,设流量为400Nm3/h时对应的压差值为x,则图0=400∶2500x=0.032kPa,表明开始点火阶段通过阿牛巴流量计产生的压差不超过0.032kPa(相当于3.2mmH2O),该压力极小,很难准确测量,所以在该工况下,如果使用节流元件测量氯气流量则必须增大流量对应的差压变送器量程。
对阿牛巴流量计进行拆检时发现,本应干燥的氯气管道里存在水分,这使得本身很小的压差测量更加困难,氯气流量测量误差更大。后分析发现,氯气带水由工艺原因造成。
阿牛巴流量计的压差值是根据仪表数据表中的工艺参数设计值计算的,但实际工艺参数与设计值有所差别:设计介质压力为183kPa,温度为42.3℃;实际压力为145kPa左右,温度为15.0℃左右。这在一定程度上也影响了阿牛巴流量计压差值的准确计算。
2新流量计选型依据与技术分析
基于上述分析,需重新选用适用于该特殊工况的流量仪表来测量氯气流量。综合比较多种流量仪表的工作原理、应用范围、测量精度和维护要求,并考虑到氢气和空气流量仪表(一体化孔板流量计)采用同样的流量仪表计量可降低最终的氯气氢气流量比误差。经过技术分析、数据计算确定采用孔板流量计,在重新选择孔板时要对工艺参数进行修改。原流量仪表前后直管段足够长,介质为较纯净、充满管道的气体,满足孔板流量计的安装要求。孔板流量计的工作原理为:充满管道的流体流经管道内的节流孔板时,在孔板附近造成局部收缩,流速增加,在其上、下游两侧产生静压力差。在已知有关参数的前提下,根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出压差与流量之间的关系进而求得流量:
式中:C———流出系数;
D———工作条件下,上游管道的内径;
d———工作条件下,节流件的节流孔或喉部直径;
qm———质量流量,kg/s;
qv———体积流量,m3/s;
Δp———节流装置输出压差,Pa;
β4———直径比;
ρ———被测介质的密度,kg/m3;
ε———可膨胀系数。
最终氯气流量仪表选用河南开封仪表厂生产的LGBF型不锈钢标准节流孔板流量计。为节约改造成本,配套的差压变送器采用罗斯蒙特3051差压变送器。依据节流孔板计算书更换节流孔板后的压力损失为2kPa,占管道压力145kPa的1.4%,压损在工艺允许范围内。根据计算书,将差压变送器的量程修改为0~6kPa,并将其输出模式设为开平方根输出。差压变送器将所测压差值转换成4~20mA电流后送至DCS系统。
3技术改造的优势
氯气流量作为氯化氢合成工艺中的重要指标,必须保证其测量准确性,稍有误差便会引起操作人员误操作,导致点火失败,严重时还会造成氢气和空气燃烧不充分,形成混合型爆炸气体引起爆炸。虽然阿牛巴流量计先进于节流孔板流量计,但在此工况中阿牛巴流量计的差压变送器量程过小,加之工艺因素最终导致其流量误差大,无法正常使用。节流孔板流量计由于节流元件的更换,使得流体流经孔板前后的压差增大(最大压差从1.263kPa增大至6kPa)。此时再次计算400Nm3/h流量下对应的压差值,即=400∶2500x=0.154kPa(相当于15.4mmH2O),同样的流量使用节流孔板流量计得到的压差比阿牛巴流量计扩大了4.8倍,更加便于实现压差的准确测量。
节流孔板流量计是应用最为广泛的节流式流量计,其性价比高,具有完善的标准、检定规程和大量的试验数据,无需实流标定。
本次改造所选用的节流孔板和差压变送器均属于技术成熟产品,应用广泛,实际使用效果良好,无不安全因素。
节流孔板流量计测量范围宽、读数准确合理,适用于蒸汽、压缩空气、混合非易燃易爆气体和各类液体的工业流量计量,其结构简单、牢固,性能稳定可靠,使用期限长,维护要求低,是目前国内首选的流量计量装置。此次技术改造方案可广泛应用于对压损要求不是十分严格的流量计量场合。
4结束语
节流孔板流量计自改造投用以来,氯气流量测量准确,氯化氢合成炉运行稳定可靠。改造后氯化氢合成工序开车过程趋于稳定,改造前氯化氢合成点火需要5~6h才能顺利点火,改造后一般只需1h便可点火成功。此次改造购买了两台节流孔板,解决了生产中的重要问题,经济效益显著。
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