Окислительный пиролиз метана до ацетилена

Специфические условия производства ацетилена - взрывоопасность и пожароопасность, коррозиостойкость сред - определили условия выбора средств автоматизации и контроля. Для схем автоматического регулирования приняты пневматические системы регулирования АУС и СТАРТ. В приборах, которые по условиям эксплуатации могли бы соприкасаться с измеряемой средой, исключены медные, бронзовые и латунные детали.

Специально для производства ацетилена были разработаны приборы для розжига дежурной горелки и контроля за ее работой в подогревателях природного газа и кислорода, а также отсекатель с условным диаметром 600 мм на трубопроводе газов пиролиза. Автоматический анализ газов пиролиза на содержание кислорода, метана и ацетилена осуществляется газоанализаторами немецкой фирмы «Хартман и Браун» типа «Магнос» и «Урас»

Схемы автоматического регулирования и контроля агрегатов пиролиза

Ниже приводится описание наиболее важных узлов автоматического контроля и регулирования, обеспечивающих нормальный ход технологического процесса.

Регулирование давления природного газа на входе в отделение пиролиза

Давление природного газа, поступающего из газораспределительной станции (ГРС) на завод, как правило, колеблется в значительных пределах - от 2 до 5 ат (реальная диаграмма колебаний давления без учета масштаба представлена на рис. 19). При промышленном проведении процесса пиролиза было установлено, что даже незначительные колебания давления природного газа в коллекторе вызывают раскачку регуляторов расхода природного газа, а те в свою очередь вызывают нарушения в работе регуляторов расхода кислорода, связанных с ними через реле соотношения РС-ЗЗА.

При выборе настроечных коэффициентов для схемы регулирования давления природного газа на входе в отделение пиролиза, в коллекторе искусственно создавались скачкообразные колебания давления (возмущения), равные ±0,15 ат при номинальном давлении 2 ат. При этом наблюдались значительные нарушения в работе регуляторов расхода природного газа.

Таким образом, регуляторы давления природного газа имеют следующее назначение:

1) ликвидация колебаний давления, обусловленных поступлением газа с газораспределительной станции;

2) компенсация колебаний давления в коллекторе, возникающих в результате возможных изменений нагрузки по природному газу на линии пиролиза, а также в результате полного отключения линии;

3) обеспечение постоянного давления природного газа в коллекторе как при работе одного реактора, так и при работе всех линий пиролиза.

Первые две задачи решаются путем рационального взаимного расположения точки отбора давления на датчик (точка подачи импульса) и исполнительного механизма. Экспериментально определено, что необходимое расстояние между точкой подачи импульса и исполнительным механизмом при диаметре коллектора 300 - 600 мм составляет 100-200 м. Участок трубопровода такой длины служит буфером для сглаживания колебаний давления в результате перемещения плунжера исполнительного механизма. Кроме того, при такой длине трубопровода скорость передачи выходного сигнала от регулирующего блока становится равной или несколько превышает скорость перемещения возмущения по технологическому трубопроводу, что является непременным условием хорошей работы автоматического регулятора.

Третья задача решается с помощью установки в коллекторе трех регулирующих клапанов (двух - с условным диаметром 100 мм и одного - с условным диаметром 200 мм), работающих параллельно. Эти клапаны включаются последовательно, по мере включения в работу всех линий пиролиза: сначала поочередно оба клапана с условным диаметром 100 мм, затем клапан с условным диаметром 200 мм.

На рис. 20 приведена принципиальная схема регулирования давления природного газа в коллекторе на входе в отделение пиролиза, а на рис. 21-диаграмма работы регулятора давления.

Рис. 20. Принципиальная схема обвязки блоков регулятора давления природного газа в коллекторе.

/, 7, // - реле соотношения РС-ЗЗА; S - регулирующий, блок ПРЗ-21; 3 - датчик давления МПД; 4 - позиционеры ПЗ-М, 5, б - регулирующие клапаны Д., 100; 8, У - блоки суммирование 10 - регулирующий клапан Д 200; 12 - промежуточное усилительное реле ПР-14; 13 - вторичный регистрирующий прибор.

Импульс от регулирующего блока 2 (рис. 20) через промежуточное усилительное реле 12 подается на регулирующие клапаны 5, 6, 10, работающие в диапазоне изменения командного давления из реле соотношения в пределах 0,2-1 ат. Клапаны вступают в работу не одновременно, а последовательно, один за другим: клапан 5 (условный диаметр 100 мм) начинает открываться при давлении природного газа на выходе из регулирующего блока 2, равном 0,2 ат, и полностью открывается при давлении 0,6 ат; клапан 6 (условный диаметр 100 мм) начинает открываться при 0,5 ат и полностью открывается при 0,8 ат; клапан 10 (условный диаметр 200 мм) начинает открываться при 0,7 ат и полностью открывается при 1,0 ат.

Распределение командного давления из регулирующего блока 2 по клапанам 5, 6, 10 в указанных выше диапазонах осуществляется с помощью реле соотношения. На входе командного воздуха в клапан 5 установлено реле соотношения 1 с коэффициентом умножения =2. На клапане 6 установлены блок суммирования 8 с коэффициентом умножения -0,3 и реле соотношения 7 с коэффициентом умножения 2,66. На клапане 10 установлены блок суммирования 9 с коэффициентом -0,5 и реле соотношения 11 с коэффициентом 2,66.

Рис. 21. Диаграмма работы регулятора давления природного газа в коллекторе.

Коэффициенты Крс и Къс определяли, исходя из определенной экспериментально линейной зависимости между давлением воздуха на выходе из регулирующего блока 2 (см. рис. 20) и давлением воздуха на выходе из реле соотношения на регулирующий клапан (рис 22). Для определения настроечных коэффициентов приборы были собраны по схеме, представленной на рис. 23.

Рис. 22. Характеристики настроек реле соотношения и блоков суммирования регуляторе давления природного газа в коллекторе.

Рис. 23. Схема обвязки приборов для определения настроечных коэффициентов:

1 - редукторы для воздуха; 2 - манометр; 3 - блок суммирования; 4 - реле соотношения.

Регулирование соотношения количеств кислорода и природного газа, поступающих в реактор

Поддержание соотношения количеств кислорода и природного газа в пределах, необходимых для стабильного протекания процесса пиролиза, осуществляется с помощью двух регуляторов расхода, связанных друг с другом через реле соотношения РС-ЗЗА. Из соображений безопасности колебания расхода кислорода должны находиться в пределах ±(50-100) м³/ч при общем нормальном расходе кислорода 3600 м^ъ\ч.

На рис. 24 представлена схема автоматического регулирования соотношения количеств кислорода и природного газа.

Количество природного газа, поступающего из коллектора в реактор, замеряется диафрагмой 1 и датчиком расхода природного газа 5. Выходящий из датчика сжатый воздух, давление которого пропорционально замеряемому расходу природного газа, поступает на вторичный регистрирующий прибор 12, установленный на центральном щите управления 15, и в регулирующий блок 6. Задание регулирующему блоку 6 устанавливается оператором со вторичного прибора 12. Нормальный расход природного газа 5600 м^г\ч. Воздух, выходящий из регулирующего блока 6, поступает на клапан 2. Со вторичного прибора 12 оператор имеет возможность при необходимости перейти на ручное управление с помощью клапана 2.

Рис. 24. Схема автоматического регулирования соотношения количеств метана и кислорода, поступающих в реактор:

/ - диафрагма на линии природного газа; 2, 7 - регулирующие клапаны; 3 - подогреватель природного газа; 4 - реактор; 5, 10 - датчики расхода ДМПК-100, б, 16 - регулирующие блоки ПРЗ-21, S - подогреватель кислорода, 9 - диафрагма на линии кислорода; // - вторичный регистрирующий прибор для кислорода; 12 - вторичный регистрирующий прибор для природного газа; 13 - реле соотношения РС-ЗЗА; 14 - манометр; 15 - центральный щит управления.

Схема регулирования количества кислорода построена аналогично. Количество кислорода замеряется диафрагмой 9 и датчиком расхода 10. Выходящий из датчика сжатый воздух, давление которого пропорционально замеряемому расходу кислорода, поступает на вторичный регистрирующий прибор 11 и в регулирующий блок 16. В отличие от схемы регулирования количества природного газа, в схеме регулирования количества кислорода регулирующий блок 16 получает задание от реле соотношения 13. В это реле поступает также сжатый воздух из датчика расхода природного газа 5. Давление воздуха, поступающего из датчика 5, увеличивается в реле 13 в соответствии с требуемым соотношением количеств кислорода и природного газа. Реле соотношения 13 установлено на центральном щите управления 15 рядом с вторичным прибором 11. На реле имеется рукоятка, поворотом которой устанавливают необходимый коэффициент умножения. Давление воздуха на выходе из реле соотношения 13 замеряется манометром 14.

Таким образом, количество кислорода, поступающего в реактор, изменяется при заданном соотношении О₂: СН4 только в том случае, если изменяется расход природного газа.

При изменении нагрузки реактора по природному газу необходимо знать следующее. Регулирующий блок 6 расположен в непосредственной близости от датчика 5, поэтому при изменении нагрузки по природному газу колебания давления сжатого воздуха, выходящего из датчика 5, передаются в регулирующий блок 6 практически мгновенно. Что же касается реле соотношения 13. то оно установлено на центральном щите управления на расстоянии -100 м от датчика расхода 5. Следовательно, это изменение придет в реле 13 только через 7-10 сек, а значит, и расход кислорода начнет изменяться лишь через 7-10 сек. Поэтому нагрузку реактора по природному газу следует изменять с такой скоростью, чтобы регулятор расхода кислорода успевал следить за этим изменением без появления пиков на диаграмме вторичного регистрирующего прибора. Рекомендуется изменять нагрузку реактора по природному газу ступенчато, не более чем на 50 м³.

На рис. 25 и 26 показаны диаграммы работы регулятора расхода природного газа и регулятора соотношения количеств природного газа и кислорода.

Пуск регулятора расхода природного газа производится вручную дистанционно с помощью клапана 2. Расход дистанционно поднимают до 5600 л³ метана в час, а затем регулятор переводится на автоматическую работу. Доведение расхода кислорода до номинального значения (3600 м³/ч) производится на включенном в автоматическую работу регуляторе расхода. Клапан на трубопроводе кислорода открывают, поворачивая рукоятку реле соотношения 13 до тех пор, пока давление воздуха, поступающего в регулирующий блок 16 из реле соотношения 13, станет равным 0,6 ат.

Рис. 25 Диаграмма работы регулятора расхода природного газа

Рис. 26 Диаграмма работы регулятора соотношения количеств природного газа и кислорода

Контроль наличия пламени дежурной горелки в подогревателях природного газа и кислорода

Заданную температуру природного газа и кислорода на выходе из подогревателей поддерживают с помощью регуляторов количества топливного природного газа, поступающего к горелкам подогревателей. Задание регуляторам устанавливает оператор по показаниям потенциометров, измеряющих температуру газа на выходе из подогревателей.

Рис. 27 Общий вид прибора ЭЗС-1

/ - коробка с запальным и сигнальным электродами, 2 - сигнальная лампа, 3 - запальная кнопка 4 - труба для подвода газа, 5 - электрический блок

Наличие пламени в дежурной горелке подогревателей метана и кислорода контролируется с помощью прибора ЭЗС-1 (электрозапал-сигнализатор пламени, рис. 27). Прибор основан на принципе электропроводности пламени. Работает он следующим образом (рис. 28). При нажатии запальной кнопки ЗК через ее контакты 5 и б напряжение сети подается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора Tpi и одновременно открывается клапан подачи газа в запальную горелку. Высокое напряжение (6 кВ) со вторичной обмотки трансформатора Tpi через конденсатор Q поступает на поджигающий электрод ЭП. Второй конец обмотки трансформатора Tpi присоединен к корпусу горелки.

Между поджигающим электродом и корпусом горелки появляется искра, в результате чего газ воспламеняется и сигнальные электроды ЭС оказываются в пламени горелки. Между ними в ионизированной среде (пламя) возникает дуговой разряд. При этом на вторичной обмотке согласующего трансформатора Тр₂, включенного в цепь сигнальных электродов; индуктируется напряжение порядка 50 В. Это напряжение выпрямляется (выпрямитель Д1-Д₄) и используется для питания блокирующего электромагнита ЭМ. При отпускании кнопки ЗК электромагнит ЭМ удержит клапан в открытом состоянии. Вместе с тем при отпускании кнопки ЗК замыкаются контакты /, 2, 3, 4 включателя напряжения (замыкается цепь управления клапанами подачи газа в горелку).

Рис. 28. Принципиальная электрическая схема прибора ЭЗС-1.

В случае погасания горелки разряд между сигнальными электродами исчезает, но электромагнит в течение 2±0,5 сек удерживается в притянутом состоянии благодаря наличию на выходе из выпрямителя Д₁-Д₄ конденсатора С₂ большой емкости. Исчезновение разряда между сигнальными электродами сопровождается возникновением искр между поджигающим электродом и корпусом горелки. Если за 2±0,5 сек пламя опять не появится, сердечник электромагнита ЭМ опустится, прибор отключится и клапан подачи газа в горелку будет перекрыт. Одновременно включается аварийный сигнал и закрывается отсекатель на линии подачи топливного газа в подогреватель. Лампа Л, сигнализирует о наличии пламени на горелке. Кроме того, этот сигнал дублируется на центральном щите управления.

Автоматический анализ газов пиролиза на содержание кислорода

Выходящие из реактора газы пиролиза подвергают анализу на содержание ацетилена, метана и кислорода. Анализ производится автоматически - с помощью газоанализаторов. Если по содержанию в газе метана и ацетилена можно судить о нормальном ходе реакции, то при проведении анализа на содержание кислорода дополнительно ставится еще одна важная задача. Газоанализатор на кислород включен в схему защитной блокировки: в случае повышения содержания кислорода в газах пиролиза сверх 0,8 объемн.% они автоматически выбрасываются на факел. Кроме того, система защитных блокировок построена таким образом, что во время пуска агрегата пиролиза отсекатель на линии выхода газов из реактора в электрофильтр нельзя открыть при содержании кислорода в газах более 0,8 объемн.%.

Газы, поступающие в газоанализаторы, необходимо очищать от сажи и полимеров ацетилена. Существуют две схемы очистки: с помощью водоструйного насоса и на фильтрах с тканью Петрянова.

Схема очистки газа с помощью водоструйного насоса изображена на рис. 29. Газ пиролиза, содержащий сажу и полимеры ацетилена, отбирается из выходного трубопровода водоструйным насосом 2 (инжектором). В инжекторе происходит отмывка сажи и полимеров водой. Очищенный газ из колонки водоструйного насоса при давлении 800 мм вод. ст. поступает в каплеотбойник 5. Из каплеотбойника часть газа сбрасывается в атмосферу через ротаметр 4, а оставшееся количество проходит через фильтр б из стеклянной ваты, окончательно освобождается от влаги в холодильнике и поступает в систему газоанализатора.

На выходе газа из газоанализатора установлен реометр 8 с фотоэлементом 9. Назначение реометра - контроль расхода анализируемого газа, В случае забивания системы сажей и полимерами поток газа прекращается. Тогда уровни подкрашенной жидкости в коленах реометра выравниваются, цепь фотоэлемента замыкается, и на центральном щите управления появляется предупредительный светозвуковой сигнал о неисправности системы очистки. Загрязненная вода из инжектора поступает в сливную трубу 3, а капли воды, выделившиеся в каплеотбойнике 5, собираются в гидрозатвор 10 и выводятся в канализацию.

Рис. 29. Принципиальная схема очистки газов пиролиза с помощью водоструйного насоса:

1 - реактор, 2 - водоструйный насос (инжектор), 3 - сливная труба, 4 - ротаметр, 5 - каплеотбойник, 6 - фильтры, 7 - газоанализатор с холодильником и фильтром тонкой очистки 8 - реометр, 9 - фотоэлемент, 10 - гидрозатвор.

Рис. 30. Принципиальная схема очистки газов пиролиза на фильтрах с тканью Петрянова 1 - трехходовые краны, 2 - отборные устройства 3 - коллектор газов пиролиза; 4 - холодильники, 5 - фильтры с тканью Петрянова; 6, 7 - ротаметры

Недостатком описанной системы очистки является частое забивание сажей и полимерами участка трубопровода от коллектора газа пиролиза до водоструйного насоса. Поэтому была разработана другая система очистки газов пиролиза - на фильтрах с тканью Петрянова (рис. 30).

Газы пиролиза из коллектора 3 при избыточном давлении 500 мм вод. ст. проходят через отборное устройство 2 с мелкоячеистой металлической сеткой, а затем холодильник 4 (здесь же газ частично очищается от полимеров) и два последовательных фильтра 5 с тканью Петрянова. После этого через ротаметр 6 часть газа постоянно сбрасывается в атмосферу, а остальное количество через ротаметр 7 поступает на газоанализатор. Систему очистки необходимо периодически останавливать для продувки, поэтому она дублируется параллельной системой, которая во время работы первой системы продувается азотом.

Аварийно-предупредительная сигнализация и защитные блокировки

Система пневматических регуляторов надежно обеспечивает стабильность технологического режима в отделении пиролиза. Однако на случай резких отклонений параметров от заданных норм или при выходе из строя пневматических систем регулирования предусмотрена дублирующая электрическая система аварийно-предупредительной сигнализации и защитных блокировок. Назначение этой системы - своевременное предупреждение с помощью светозвуковой сигнализации о нарушениях технологического режима и перевод процесса в положение безопасности, если оператор своевременно не примет необходимых мер. На рис. 31 показана схема расстановки отсекателей, которые, переключаясь в аварийных случаях в определенной последовательности, переводят процесс в состояние безопасности.

В схемах автоматических защитных блокировок и аварийно-предупредительной сигнализации все электрические цепи обтекаются током, а пневматические - воздухом при нормальном технологическом режиме и при разрыве цепей вследствие аварийных нарушении технологического режима. Такое построение позволяет постоянно контролировать исправность цепей управления и исключает возможность отказа системы защиты при неисправности сдельных ее элементов, например при обрыве цепи, отказе того или иного датчика, выходе из строя реле, падении давления воздуха и т.д.

Для облегчения расшифровки параметра, вызвавшего аварийную остановку агрегата пиролиза, предусматривается схема запоминания: светящаяся лампочка на щите управления указывает тот параметр, нарушение которого привело к остановке агрегата.

Рис. 31. Схема расстановки запорной отсекающей арматуры на линии пиролиза:

/ - подогреватель кислорода; 2 - подогреватель природного газа; 3 - реактор; 4 - свеча; 5 - задвижка с электроприводом; 6 - отсекатель с поршневым приводом; 7 - скруббер; 8 - электрофильтр (черные отсекатели с мембранным приводом установлены на линиях азота; белые - на линиях технологических газов).