CN1869633A - 涡旋致冷取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋致冷取样装置。装置的特点是包含过滤逆流部件、冷却脱水部件、涡旋致冷管部件和气动温度控制器，过滤逆流部件的出口端与冷却脱水部件的进口端竖直连接，构成取样通道，涡旋致冷管部件安装在冷却脱水部件的出口端，气动温度控制器通过控制涡旋致冷管产生的冷却介质，对样品出口温度实现自动控制。该装置具有采样、过滤、冷却、除水、自动控温等多种功能，冷凝液能够将过滤出的粉尘带回工艺管道对滤网实现自清洗，广泛适用于催化裂解气、液化气、PTA等装置中对高温、高含水、含重质油及固体杂质等混合工艺气体进行连续采样。

Description

涡旋致冷取样装置

技术领域

本发明涉及取样装置，尤其涉及高温、高含水、高杂质等工艺样品所使用的涡旋致冷取样装置，属于化工工艺与在线仪表检测技术领域。

背景技术

在催化裂化装置(FCCU)中要必须了解和掌握催化剂的循环量和再生系统的反应状况。然而，催化剂的循环量无法用仪表直接检测，只有通过对再生器中反应组份O₂、CO和CO₂的测量结果，来判断和衡量催化剂的再生程度，以便控制最佳的剂油比、汽剂比，保持反应系统的三大平衡——物料平衡、热平衡和动态平衡。因此，为了提高FCCU的运行质量，追求可靠、连续地对再生烟气的分析就显得十分重要。目前国内绝大多数炼油厂使用的取样系统，都是把带有大量粉尘和二氧化硫的样品从工艺管道中直接取出来，再对他们进行处理。由于烟气温度高(高达700℃)，内含大量细小的催化剂粉尘、水和酸性气体(二氧化硫等)，使得样品的输送和处理相当困难，表现为：①粉尘和水易板结，造成样品传输管道堵塞；②酸性气体与水混合后极易对样品传输管道造成腐蚀；③处理后的样品气体达不到分析仪表的要求，对分析仪表造成损坏。

由于存在以上缺陷，国内催化裂化再生烟气的在线分析基本上都处于停运状态，对催化剂再生情况的在线监测，只能靠实验室人工取样分析，滞后严重，不能及时指导生产。研制、开发一套适合催化裂解气、液化气、PTA等装置中高温、高含水、含重质油及固体杂质等混合工艺气体的正常连续取样的装置，使其能够实现长期稳定地运行，达到指导生产操作、提高技术经济效益，已是当务之急。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提出一种涡旋致冷取样装置，使其广泛适用于催化裂解气、液化气、PTA等装置对高温、高含水、含重质油及固体杂质等混合工艺气体的正常连续采样。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

涡旋致冷取样装置，包括有取样通道和取样控制阀，取样控制阀安装在所取样品的工艺管道与取样管道之间，其特征在于：该装置还包括过滤逆流部件、冷却脱水部件和涡旋致冷管部件，所述过滤逆流部件的出口端与冷却脱水部件的进口端竖直连接，构成取样通道，涡旋致冷管部件安装在冷却脱水部件的上部。

进一步地，上述的涡旋致冷取样装置，其中，所述过滤逆流部件为两端法兰连接的管道中间体结构，内腔填充不锈钢金属过滤网；尤其是，内腔上部填充不锈钢金属细过滤网，内腔下部填充不锈钢金属粗过滤网，上部的目数比下部的目数大。

再进一步地，上述的涡旋致冷取样装置，其中，所述过滤逆流部件的中间部位安装有温度计；所述冷却脱水部件为列管式换热器结构，共有4～16根不锈钢列管。

更进一步地，上述的涡旋致冷取样装置，其中，该装置还安装有气动温度控制器，包括气动温度控制开关、测温元件、温度控制阀、样品超温切断阀、精密空气过滤器，其仪表空气分成两条管路，一条是经过精密空气过滤器而与气动温度控制开关相连，另外一条是经过温度控制阀而与涡旋致冷管部件相连，使仪表空气用作为涡旋致冷管部件的冷却介质，测温元件安装在冷却脱水部件的顶部，样品超温切断阀安装在冷却脱水部件之后的样品出口管道上，气动温度控制开关的信号线与所述温度控制阀和样品超温切断阀相连。而且，所述温度控制阀的进出口还可以设置旁路，旁路上安装手动阀。

本发明涡旋致冷取样装置，针对再生烟气等高温、高含水、高杂质等工艺样品，把样品的采样、过滤、冷却、除水等过程集中处理，通过气动温度控制器自动控制冷却气源，并使样品的出口温度受控。与现有技术相比，本发明的技术效果主要体现在：

①解决了国内长期以来在烟气分析取样时，对高温、高含水、高含尘样品无法处理的难题，彻底消除了样品传输管线堵塞的隐患；

②在高粉尘污染、高温度、高含水等工艺条件下能对样品气体进行正常连续采样，安装、操作和维护极为简便，性能可靠；

③配置灵活的采样探头可配套使用多种不同材质、结构、长度的取样管，可满足不同的实际使用需求；

④具有采样、过滤、冷却、除水、自动控温等多种功能，冷凝液能够将过滤出的粉尘带回工艺管道，实现滤网的自清洗；

⑤由于具有样品出口温度的自动控制功能，且冷凝液和过滤杂质被带回工艺管道，该取样装置的实际维护量很低。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：涡旋致冷取样装置在使用状态下的结构示意图；

图2：过滤逆流部件结构示意图；

图3：冷却脱水部件结构示意图；

图4：气动温度控制器的组成示意图。

其中：1工艺管道；2工艺切断阀；3过滤逆流部件；31法兰；32金属粗过滤网；33温度计；34金属细过滤网；35连接管；36法兰；37蒸汽入口接口；4冷却脱水部件；41法兰；42壳管；43热交换列管；44冷气入口接口；45样品气出口接口；46热交换器出口接口；5涡旋致冷管部件；6气动温度控制器；61气动温度控制开关；62测温元件；63温度控制阀；64手动阀；65样品超温切断阀；66精密空气过滤器；67控制器信号；7样品气供给单元；8仪表空气供给单元。A样品的流向；B冷媒的流向；C热交换器排气的流向；D蒸汽入口流向。

具体实施方式

涡旋致冷管部件其整体为纯机械结构，结构紧凑、体积小，无运动部件，可应用于任何场合，无须考虑防爆要求，在长期使用中基本不需维护。涡旋致冷管部件的工作介质一般是压缩空气，容易实现自动控制，无须其它能量即可产生近-30℃的低温致冷工质，冷却率极高，冷却温度可以调节。

本发明利用涡旋致冷管部件的上述特点，针对背景技术所提到的技术难题，设计出一种涡旋致冷取样装置。该装置将过滤、冷却、除液等功能进行一体化主体结构设计，将涡旋致冷管的致冷效果和样品出口温度的自动控制功能有机结合。涡旋致冷取样装置垂直安装于水平工艺管道上，在装置内部就地进行样品的过滤、冷却、除液、去除有害成分。

如图1所示，本发明涡旋致冷取样装置主要包括：过滤逆流部件3，冷却脱水部件4，涡旋致冷管部件5，气动温度控制器6。过滤逆流部件3与冷却脱水部件4构成取样装置的主体，通过工艺切断阀2与水平工艺管道1竖直相连，用来过滤工艺样品中的杂质，并使其中水分冷凝并重新返回工艺管道1，同时完成金属过滤网的自清洗功能，涡旋致冷管部件5为装置提供温度-10℃左右、流量不小于0.25m³/min冷却气体，气动温度控制器6对出口样品的温度进行调节和自动控制。

如图2所示，过滤逆流部件3采用两端为标准法兰31及法兰36连接的管道中间体结构，中间部位是连接管35，连接管35上安装双金属温度计33，管道内部填充不锈钢金属过滤网，下部分是粗过滤网32，上部分是细过滤网34，上部分的目数比下部分的目数大，其作用是分级过滤样品气中含有的固体颗粒杂质，便于冷凝液回流时将附着在过滤网上的固体杂质带回工艺管道1。这种设计的工作原理是：通常情况下，样品气的最终出口流速控制在1500mL/min以内，在直径为50mm的取样器内，其最大流速仅为1.3cm/s；而工艺过程中样品气的流速至少在2m/s以上，根据STOKES定律，当有悬浮颗粒的移动流体速度变慢时，粒子因自身的重力加速向下掉并不再悬浮，因此样品气中绝大多数粉尘等物质并不进入取样系统，这就大大减少了对样品气中粉尘的处理难度。

在设计加工时，考虑到过滤逆流部件3需与工艺管道直接相连，为扩大其使用范围，适应化工工艺设计要求，法兰31和法兰36一般选用标准DN50、PN40高颈对焊不锈钢法兰，在焊接时其焊接质量保证6.0MPa水压试验不发生渗漏。为了提高耐腐蚀性能，工件材质均采用不锈钢材料。

冷却脱水部件4采用小型列管式换热器结构，如图3所示，列管43采用7根φ8×1的不锈钢管，以适应工艺压力要求，同时增大换热面积，提高耐腐性。在冷却脱水部件4的顶部安装温度控制器的测温部件62，测量样品被致冷后的温度。在设计加工时，考虑与过滤逆流部件3有相同的原因，工件材质及加工质量需有同样的要求。热的样品从下向上从管内通过，冷的空气从上向下从管外通过。冷却过程中，样品气中的水逐渐冷却向过滤逆流段回流。样品气离开冷却脱水部件4之前，其温度由气动温度控制器6的设定温度决定，因温度低而含水量少。

典型的气动温度控制器6的组成如图4所示，它包括：气动温度控制开关61、测温元件62、温度控制阀63、手动阀64、样品超温切断阀65、精密空气过滤器66。来自仪表空气供给单元8的仪表空气分成两条管路，一是经过精密空气过滤器66而与气动温度控制开关61相连，另一条是经过温度控制阀63而与涡旋致冷管部件5相连，使仪表空气用作为涡旋致冷管部件5的冷却介质，测温元件62安装在冷却脱水部件4的顶部，样品超温切断阀65安装在冷却脱水部件4之后的样品出口管道上，以保证处理干净的样品进入后续管道，手动阀64设置在温度控制阀63的旁路上面，气动温度控制开关的控制信号67通过信号线分别与温度控制阀63和样品超温切断阀65相连。

该气动温度控制器6可对样品的出口温度进行自动控制：当冷却除水后的样品气7到达冷却脱水部件4的出口时，测温部件62监测其致冷温度是否已达到或低于设定温度，从而确定是否关闭涡旋致冷管5的仪表空气，完成样品出口温度的自动控制功能；当温度超过设定温度10℃时，通过样品超温切断阀65关断样品出口，避免样品带水进入后续输入和测量部件。由于样品气流速较慢(2000ml/min)，样品出口温度的自动控制更为容易，可以避免超温切断阀65的高频率动作，分析仪表不会发生高频波动。

本发明在正常工作状态下，来自工艺管道1的工艺样品在工艺压力的作用下，向上流经完全开启的工艺切断阀2进入过滤逆流部件3。工艺样品进入取样装置后，因速度变慢，大量的固体杂质并不进入取样装置而直接回到工艺管道。样品慢速向上流动，首先经过滤逆流部件3，在这里剩余的固体粉尘等颗粒物质被不锈钢过滤网阻挡、截留，而其余的工艺样品将继续上行进入冷却脱水部件4，样品中的液体成分，在列管内被壳管中由涡旋致冷管产生的低温冷气逐渐冷却，并凝结于列管内壁上。由于列管内的样品流量小，因而无法将凝结于列管内壁上的冷凝物带走，因此这些被逐渐冷却并凝结后的液体成分就会在其自身重力作用下向下回流，从而产生与取样方向相反的逆流物。这些逆流物，在反向流过过滤逆流部件时将清洗被阻挡截流于此的催化剂粉尘等杂质，使其脱离不锈钢金属过滤网并一同流回工艺管道中，产生自清洗效果。

考虑到催化再生烟气中含水量不多，且因为样品气流量较小，高温的样气在过滤逆流段很快就被降温，但是冷凝水的流量很小，将不利于过滤段的回流自清洗，不足以对过滤网形成足够的反冲洗。可以向样品气中注入水蒸汽，待其在冷却脱水段冷却变成水后，就增加了对过滤网的自清洗能力。蒸汽的注入，同时也洗净了样气中的SO₂，确保腐蚀性气体不进入后面的取样部件。

当过滤并冷却后的样品气到达冷却脱水部件4的顶端时，已经是干净的、含很少水分的样品，气动温度控制器6的测温元件(温包)检测其温度是否已低于设定温度，从而确定是否关闭涡旋致冷管部件5的工作介质。当冷却后的温度低于设定温度时，关闭致冷空气；若样品出口温度高于设定温度，则对样品一直进行冷却，直到样品温度低于设定温度以下；如果样品温度高出设定温度10℃，将关闭样品出口，对样品集中进行冷却，直至温度降到设定温度以下。周而复始，即可以将样品温度始终自动控制在要求的温度范围之内。

样品出取样装置后，温度升高到环境温度，不会再有水析出。样品中大量水分、杂质已基本脱除，其湿度已降为在工艺压力下、样品致冷温度时的饱和状态，此时相对湿度为RH＝100％。该样品经过流量调节之后送至后续处理系统，经过过滤除水、限流、膜式精细过滤、稳流等工序进一步处理，可为分析仪表提供合格的样品气体，进而实现对样品进行比较准确的在线分析。

本发明技术方案对于催化裂解气、液化气以及PTA等化工装置等涉及到的高温、高含水、含重质油及固体杂质的样品气取样，具有很好的推广应用前景。

Claims (7)

1.涡旋致冷取样装置，包括有取样通道和取样控制阀，取样控制阀安装在所取样品的工艺管道与取样管道之间，其特征在于：该装置还包括过滤逆流部件、冷却脱水部件和涡旋致冷管部件，所述过滤逆流部件的出口端与冷却脱水部件的进口端竖直连接，构成取样通道，涡旋致冷管部件安装在冷却脱水部件的出口端。

2.根据权利要求1所述的涡旋致冷取样装置，其特征在于：所述过滤逆流部件为两端法兰连接的管道中间体结构，内腔填充不锈钢金属过滤网。

3.根据权利要求2所述的涡旋致冷取样装置，其特征在于：所述过滤逆流部件，内腔上部填充不锈钢金属细过滤网，内腔下部填充不锈钢金属粗过滤网，上部的目数比下部的目数大。

4.根据权利要求2所述的涡旋致冷取样装置，其特征在于：所述过滤逆流部件的中间部位安装有温度计。

5.根据权利要求1所述的涡旋致冷取样装置，其特征在于：所述冷却脱水部件为列管式换热器结构，共有4～16根不锈钢列管。

6.根据权利要求1～5所述的任意一种涡旋致冷取样装置，其特征在于：该装置还安装有气动温度控制器，包括气动温度控制开关、测温元件、温度控制阀、样品超温切断阀、精密空气过滤器，其仪表空气分成两条管路，一条是经过精密空气过滤器而与气动温度控制开关相连，另外一条是经过温度控制阀而与涡旋致冷管部件相连，使仪表空气用作为涡旋致冷管部件的冷却介质，测温元件安装在冷却脱水部件的顶部，样品超温切断阀安装在冷却脱水部件之后的样品出口管道上，气动温度控制开关的信号线与所述温度控制阀和样品超温切断阀相连。

7.根据权利要求6所述的涡旋致冷取样装置，其特征在于：所述温度控制阀的进出口还设有旁路，旁路上安装有手动阀。

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