利用Prima PRO在线过程质谱仪优化裂解炉

典型的烯烃厂有两个基本工段：裂解炉和分馏系统。烯烃裂解炉或热解炉将饱和烃裂解成较小的不饱和烃。生产较轻的烯烃，包括乙烯、丙烯和丁烯所用的主要工业方法是蒸汽裂解法。在这一过程中，用蒸汽稀释气态或液态的烃原料（即石脑油、液化石油气、氢裂粗柴油或简单乙烷和丙烷混合物），并在裂解炉内短时加热。典型的反应温度很高（约为 850℃），反应时间限制在一秒钟内。在现代的裂解炉中，驻留时间缩短到毫秒级，产生超音速气流，从而提高所需产品的产量。当达到裂解温度以后，气体在传输线热交换器中急速骤冷以停止反应。反应时的产量取决于进料的成份、烃与蒸汽的比例、裂解温度和炉内驻留时间。轻烃物料，包括乙烷、液化石油气或轻石脑油，产生的产品富含轻烯烃，包括乙烯、丙烯和丁二烯。石脑油和炼油厂液态原料不仅可生产出这些轻质烯烃的一部分，还能生产出富含芳香烃产品，适于高温热解汽油或燃油。较高的裂解度，有利于乙烯和苯的生成，而较低的裂解度则生产较多数量的丙烯、C4烃和液态产品。这一过程也会导致焦炭慢慢沉积在炉管或裂解盘管壁上。由于炭层会限制热传导和增加压降，因此反应器的效率会降低。设计反应条件时应使焦炭沉积的速率减小到很低。采用动力学模型预测焦炭层的厚度，以保证依赖炉温的裂解效果能被预测。蒸汽裂解炉通常只能运行几个月，就需从裂解线上分离出来除炭。蒸汽或蒸汽 /空气混合气通过裂解炉盘管，可以使硬质固体的炭层转化为一氧化碳和二氧化碳。当这一反应完成后，裂解炉就可重新使用。另一种方法是离线的低温机械式清除法，用低温碱性清洗剂去除盘管上的沉积炭是有效的。不管用何种方法，在除炭过程中每一台炉要至少停炉27小时。

以下的内容介绍了如何利用Prima PRO在线过程质谱仪使裂解炉的使用得以优化。

1、裂解炉优化的基本原理：

在任何给定时刻，产量取决于许多因素，包括原料成份、稀释蒸汽流量、烃流量、盘管温度分布（即炉子燃烧率和燃料能量）、炉子抽力和盘管焦炭成份。模型预测控制（MPC）利用多种测量参数，如盘管出口温度和进料率等来预测上述因素。这样，温度和驻留时间可以优化，在使焦炭沉积率最小的同时，实现烯烃的最高产量。虽然众多过程变量的关系是复杂的，但如果裂解度太低，乙烯产量将会很低。如果裂解度太高，则积炭率也会高，产量的减少也将是不可接受的。

 

2、裂解度技术比较

当动力学模型没有成份反馈时，实际的裂解度如何随时间变化。在这种情况下，一台气体裂解装置通常有62%的乙烯产率。

使用在线气相色谱仪（GC）测量实际裂解度指数的益处（如丙烯/乙烯比和丙烯/甲烷比）。采用这种六分钟间隔的定时测量，就能通过提高裂解度的设定值来强化对裂解度的控制。这种升级一般能使气体裂解装置的产量提高 5%。这就是为什么世界上多数乙烯装置将气相色谱仪用于过程控制的原因。由于Prima PRO快速分析，可以用一台在线质谱仪（MS）取代 5台气相色谱仪，并把取样间隔从6分钟缩减到2分钟，从而得到另外 2%的增产。

应注意到，由于在这个动力特性很强的过程中速度是很重要的，气相色谱分析将限定在 C1到C3分析。它能满足对于实际裂解度指数的测量，但不能提供足够的数据使动力学模型能精确地预测由于重烃的凝结和聚合作用所产生的焦炭沉积率。因此，在一般的装置中，对于速度很低的 C1烃到C4烃的扩展分析要用附加的气相色谱仪，以提供动力学模型所需数据。对于液态物料裂解炉，这种分析还要进一步扩展到 C5烃，以计算动力裂解因子（KSF），这一因子用于根据市场条件优化特种烯烃的生产。通常会将附加的扩展分析色谱仪多路配置，使每一台气相色谱仪能监测 4到5台炉。然而，使用一台Prima PRO就能监测炉内裂解产物而无需额外的装置。Prima PRO的扩展分析还能提供对重烃进行监测的附加功能，重烃通常被 Thermo Scientific PyGas自清洗取样器所去除。这一数据能预测当样品处理系统发生故障时的维护能力，从而保证更可靠的运行。