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Thermo Scientific Prima PRO和Sentinel PRO：開(kāi)啟質(zhì)譜新時(shí)代

依托超過(guò) 30年在線(xiàn)質(zhì)譜儀的成功研發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，新一代 Thermo Scientific Prima PRO和Sentinel PRO在線(xiàn)質(zhì)譜儀可從容應(yīng)對(duì)石油化工應(yīng)用的眾多挑戰(zhàn)，其中包括： 

• 天然氣處理 

• 烯烴生產(chǎn) 

• 裂解爐優(yōu)化 

• 環(huán)氧乙烷 /乙二醇 

• 聚烯烴生產(chǎn) 

• 合成氨 

• 有毒揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的泄漏 

憑借著經(jīng)實(shí)踐證明的更快、更全面的在線(xiàn)氣體成分分析能力，Prima PRO可以對(duì)多流路氣體進(jìn)行精確分析，進(jìn)而提高產(chǎn)量。它維護(hù)量少、易于操作并且可提供可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)到 DCS系統(tǒng)，從而確保投資回報(bào)率。基于和Prima PRO相同的操作平臺(tái)， Sentinel PRO環(huán)境質(zhì)譜儀以其眾多同樣的優(yōu)勢(shì)，被設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足微量泄漏環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。半連續(xù)監(jiān)測(cè) 60-120個(gè)取樣點(diǎn)及高靈敏度的檢測(cè)能力，確?？煽康男孤z測(cè)，從而提高生產(chǎn)裝置的安全性和生產(chǎn)制度的規(guī)范性。此外，單臺(tái) Sentinel PRO或 Prima PRO可以輕松取代多臺(tái)氣相色譜儀（GC），減少取樣時(shí)間，簡(jiǎn)化維護(hù)程序，更重要的是降低整體投資成本。

操作原理

Prima PRO、Sentinel PRO進(jìn)行穩(wěn)定、快速氣體分析首選技術(shù)的基礎(chǔ)是掃描磁扇質(zhì)譜技術(shù)。利用這種技術(shù)，氣體可以通過(guò)一個(gè)多流路進(jìn)樣閥源源不斷的從取樣系統(tǒng)到達(dá)離子源，在這里，氣體分子被離子化和碎片化。離子被高能電場(chǎng)加速后進(jìn)入電磁質(zhì)量分析器，目標(biāo)離子進(jìn)入檢測(cè)器。分子碎片能夠產(chǎn)生重復(fù)性極好的“指紋”譜圖，這可以讓具有相似分子量的氣體被精確測(cè)量而不受干擾。內(nèi)置控制器使用一系列的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，將氣體濃度數(shù)據(jù)和其他諸如熱值和碳平衡的計(jì)算數(shù)據(jù)直接傳送到過(guò)程控制系統(tǒng)。耐用性和容錯(cuò)性設(shè)計(jì)在顯著降低維護(hù)要求的同時(shí)，可以保證 99.7%以上的投用率。

新型號(hào)帶來(lái)更高的投資回報(bào)率  

• 快速在線(xiàn)氣體分析（每個(gè)取樣點(diǎn) 1至20秒），準(zhǔn)確反映工藝  動(dòng)態(tài) 

• 全組分氣體分析，提供更多的數(shù)據(jù)給先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)（APC)

• 高穩(wěn)定性，90天的標(biāo)定間隔(自動(dòng)) 

• 可靠，容錯(cuò)設(shè)計(jì)，確保投用率超過(guò)99.7% 

• 占地面積小 

• 最少的維護(hù)量需求，降低運(yùn)營(yíng)成本

天然氣加工

原料氣可能來(lái)源于附近的氣田或其他加工過(guò)程（如煉油廠(chǎng)的尾氣），以及油田收集的伴生氣。因此，氣體工廠(chǎng)來(lái)料的體積和成份會(huì)有很大的差別。通常天然氣含有 85%的甲烷和數(shù)量不定的天然氣凝液（ NGL），包括液化乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H8）、正丁烷（n-C₄H₁₀）、異丁烷（i-C₄H₁₀）、戊烷和更重?zé)N（C₅₊）、惰性氣體（典型的是氮和氦），和硫化氫（H₂S）、二氧化碳（CO₂）等酸性氣體。酸性氣體通過(guò)采用膜分離技術(shù)或氨水溶液進(jìn)行脫除。

硫是通過(guò)硫裝置（或 Claus裝置），采用加熱和催化兩步法將硫化氫中的硫還原為單質(zhì)硫。對(duì)于剩余氣體（通常稱(chēng)之為尾氣），要對(duì)其殘留的硫化氫進(jìn)行處理，隨后焚燒。氣體工廠(chǎng)在把原氣分餾為殘留氣體、乙烷、丙烷、丁烷和天然汽油產(chǎn)品前要去除水蒸汽、微量的汞和氮?dú)?。分餾系統(tǒng)的各階段依靠餾份的沸點(diǎn)差來(lái)分餾各個(gè)烷烴。

Prima PRO：快速、精確的氣體成分分析

利用Prima PRO，可對(duì)加工氣體的成分進(jìn)行快速、高精度的在線(xiàn)分析。分析包括全面和精確的成分分析以及熱值（粗熱值和凈熱值）、密度、比重、華比指數(shù)、化學(xué)需氣量和燃燒需氣量指數(shù)（CARI）的計(jì)算。燃燒需氣量用于加工廠(chǎng)燃燒氣體時(shí)對(duì)燃燒的控制。Prima PRO還能為控制氣體加工階段的物料平衡方程提供精確的氣體組成數(shù)據(jù)。Prima PRO還有下列優(yōu)點(diǎn)： 

• 減少能源消耗（燃?xì)夂碗娔埽?nbsp;

• 提高液化產(chǎn)品的回收 

• 精確測(cè)量產(chǎn)品的能值 

• 減少向環(huán)境中的排放

烯烴生產(chǎn)

典型的烯烴廠(chǎng)有兩個(gè)基本工段：裂解爐和分餾系統(tǒng)。烯烴裂解爐或熱解爐將飽和烴裂解成較小的不飽和烴。生產(chǎn)較輕的烯烴，包括乙烯、丙烯和丁烯所用的主要工業(yè)方法是蒸汽裂解法。在這一過(guò)程中，用蒸汽稀釋氣態(tài)或液態(tài)的烴原料（即石腦油、液化石油氣、氫裂粗柴油或簡(jiǎn)單乙烷和丙烷混合物），并在裂解爐內(nèi)短時(shí)加熱。典型的反應(yīng)溫度很高（約為 850℃），反應(yīng)時(shí)間限制在一秒鐘內(nèi)。在現(xiàn)代的裂解爐中，駐留時(shí)間縮短到毫秒級(jí)，產(chǎn)生超音速氣流，從而提高所需產(chǎn)品的產(chǎn)量。當(dāng)達(dá)到裂解溫度以后，氣體在傳輸線(xiàn)熱交換器中急速驟冷以停止反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)量取決于進(jìn)料的成份、烴與蒸汽的比例、裂解溫度和爐內(nèi)駐留時(shí)間。輕烴物料，包括乙烷、液化石油氣或輕石腦油，產(chǎn)生的產(chǎn)品富含輕烯烴，包括乙烯、丙烯和丁二烯。石腦油和煉油廠(chǎng)液態(tài)原料不僅可生產(chǎn)出這些輕質(zhì)烯烴的一部分，還能生產(chǎn)出富含芳香烴產(chǎn)品，適于高溫?zé)峤馄突蛉加?。較高的裂解度，有利于乙烯和苯的生成，而較低的裂解度則生產(chǎn)較多數(shù)量的丙烯、C4烴和液態(tài)產(chǎn)品。這一過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致焦炭慢慢沉積在爐管或裂解盤(pán)管壁上。由于炭層會(huì)限制熱傳導(dǎo)和增加壓降，因此反應(yīng)器的效率會(huì)降低。設(shè)計(jì)反應(yīng)條件時(shí)應(yīng)使焦炭沉積的速率減小到最低。采用動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)焦炭層的厚度，以保證依賴(lài)爐溫的裂解效果能被預(yù)測(cè)。蒸汽裂解爐通常只能運(yùn)行幾個(gè)月，就需從裂解線(xiàn)上分離出來(lái)除炭。蒸汽或蒸汽 /空氣混合氣通過(guò)裂解爐盤(pán)管，可以使硬質(zhì)固體的炭層轉(zhuǎn)化為一氧化碳和二氧化碳。當(dāng)這一反應(yīng)完成后，裂解爐就可重新使用。另一種方法是離線(xiàn)的低溫機(jī)械式清除法，用低溫堿性清洗劑去除盤(pán)管上的沉積炭是有效的。不管用何種方法，在除炭過(guò)程中每一臺(tái)爐要至少停爐27小時(shí)。以下的內(nèi)容介紹了如何利用Prima PRO使裂解爐的使用得以?xún)?yōu)化。

裂解爐優(yōu)化的基本原理

在任何給定時(shí)刻，產(chǎn)量取決于許多因素，包括原料成份、稀釋蒸汽流量、烴流量、盤(pán)管溫度分布（即爐子燃燒率和燃料能量）、爐子抽力和盤(pán)管焦炭成份。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）利用多種測(cè)量參數(shù)，如盤(pán)管出口溫度和進(jìn)料率等來(lái)預(yù)測(cè)上述因素。這樣，溫度和駐留時(shí)間可以?xún)?yōu)化，在使焦炭沉積率最小的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)烯烴的最高產(chǎn)量。雖然眾多過(guò)程變量的關(guān)系是復(fù)雜的，但如果裂解度太低，乙烯產(chǎn)量將會(huì)很低。如果裂解度太高，則積炭率也會(huì)高，產(chǎn)量的減少也將是不可接受的。

裂解度技術(shù)比較

當(dāng)動(dòng)力學(xué)模型沒(méi)有成份反饋時(shí)，實(shí)際的裂解度如何隨時(shí)間變化。在這種情況下，一臺(tái)氣體裂解裝置通常有62%的乙烯產(chǎn)率。

使用在線(xiàn)氣相色譜儀（GC）測(cè)量實(shí)際裂解度指數(shù)的益處（如丙烯/乙烯比和丙烯/甲烷比）。采用這種六分鐘間隔的定時(shí)測(cè)量，就能通過(guò)提高裂解度的設(shè)定值來(lái)強(qiáng)化對(duì)裂解度的控制。這種升級(jí)一般能使氣體裂解裝置的產(chǎn)量提高 5%。這就是為什么世界上多數(shù)乙烯裝置將氣相色譜儀用于過(guò)程控制的原因。圖4c說(shuō)明了在一個(gè)更現(xiàn)代化的裝置上用 Prima PRO取代氣相色譜儀所帶來(lái)的更強(qiáng)的控制。由于Prima PRO快速分析，可以用一臺(tái)在線(xiàn)質(zhì)譜儀（MS）取代 5臺(tái)氣相色譜儀，并把取樣間隔從6分鐘縮減到2分鐘，從而得到另外 2%的增產(chǎn)。

應(yīng)注意到，由于在這個(gè)動(dòng)力特性很強(qiáng)的過(guò)程中速度是很重要的，氣相色譜分析將限定在 C1到C3分析。它能滿(mǎn)足對(duì)于實(shí)際裂解度指數(shù)的測(cè)量，但不能提供足夠的數(shù)據(jù)使動(dòng)力學(xué)模型能精確地預(yù)測(cè)由于重?zé)N的凝結(jié)和聚合作用所產(chǎn)生的焦炭沉積率。因此，在一般的裝置中，對(duì)于速度很低的 C1烴到C4烴的擴(kuò)展分析要用附加的氣相色譜儀，以提供動(dòng)力學(xué)模型所需數(shù)據(jù)。對(duì)于液態(tài)物料裂解爐，這種分析還要進(jìn)一步擴(kuò)展到 C5烴，以計(jì)算動(dòng)力裂解因子（KSF），這一因子用于根據(jù)市場(chǎng)條件優(yōu)化特種烯烴的生產(chǎn)。通常會(huì)將附 加的擴(kuò)展分析色譜儀多路配置，使每一臺(tái)氣相色譜儀能監(jiān)測(cè) 4到5臺(tái)爐。然而，使用一臺(tái)Prima PRO就能監(jiān)測(cè)爐內(nèi)裂解產(chǎn)物而無(wú)需額外的裝置。Prima PRO的擴(kuò)展分析還能提供對(duì)重?zé)N進(jìn)行監(jiān)測(cè)的附加功能，重?zé)N通常被 Thermo Scientific PyGas自清洗取樣器所去除。這一數(shù)據(jù)能預(yù)測(cè)當(dāng)樣品處理系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的維護(hù)能力，從而保證更可靠的運(yùn)行。

裂解度控制成本/效益分析

Prima PRO解決方案

一臺(tái)配置了60個(gè)取樣口和24個(gè)標(biāo)定口的Prima PRO 在線(xiàn)質(zhì)譜儀。如圖7所示，一對(duì)有類(lèi)似配置的冗余質(zhì)譜儀系統(tǒng)可以取代15個(gè)氣相色譜儀，這能節(jié)省約33%的成本，并具有更先進(jìn)的分析性能。另外，兩臺(tái)Prima PRO可安裝在相對(duì)便宜的分析小屋中，大約是氣相色譜儀的分析小屋成本的25%。維護(hù)成本也只有氣相色譜儀方案成本的20%左右。雖然Prima PRO的標(biāo)定氣體消耗要高一些，但與氣相色譜儀的購(gòu)置成本和維護(hù)費(fèi)用相比，其費(fèi)用是極低的。另外，Prima PRO不需要助燃?xì)饣蜉d氣，這是一種更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

氣相色譜儀解決方案

氣相色譜儀的典型配置，用10臺(tái)氣相色譜儀控制裂解度，5臺(tái)氣相色譜儀提供所需數(shù)據(jù)用于A(yíng)PC動(dòng)力模型分析。此方案的成本約100萬(wàn)美元；另外，在所有季節(jié)中都要進(jìn)行維護(hù)。有些氣相色譜儀能夠完全補(bǔ)償氣候的影響，裝在室外無(wú)需龐大、昂貴的分析小屋，而大多數(shù)則不能。一個(gè)預(yù)制的分析小屋包括全套的樣品預(yù)處理系統(tǒng)、通訊設(shè)施及其他必要的公用工程，分析小屋在為維護(hù)人員提供良好工作環(huán)境的同時(shí)，大的分析小屋也帶來(lái)了更高的制造成本。如果有很多氣相色譜儀需要維護(hù)，總擁有成本就會(huì)很高：每年每臺(tái)氣相色譜儀大約要7000美元的維護(hù)費(fèi)，這還不包括載氣、助燃?xì)夂蜆?biāo)定氣體的消耗等費(fèi)用。

環(huán)氧乙烷 /乙二醇

環(huán)氧乙烷（EO）是通過(guò)氧化銀催化劑直接氧化乙烯而成的。由于環(huán)氧乙烷分子活性極強(qiáng)，因此生產(chǎn)通常與容易運(yùn)輸?shù)囊叶忌a(chǎn)結(jié)合在一起。先對(duì)乙烯、壓縮氧氣和循環(huán)氣預(yù)熱，然后將這些氣體注入裝有氧化銀催化劑環(huán)管反應(yīng)器中的一個(gè)。由于生產(chǎn)中的目標(biāo)分子不是二氧化碳和水，所以可通過(guò)氯化合物添加劑來(lái)改進(jìn)選擇性。催化劑的活性隨時(shí)間而降低，要求逐步提高反應(yīng)溫度。為了增強(qiáng)反應(yīng)器的燃燒率，要加入甲烷。 

Prima PRO：最佳氣體分析解決方案 

Prima PRO能利用精確測(cè)量選擇性和測(cè)量碳氧分子平衡實(shí)現(xiàn)氣體分析過(guò)程的最優(yōu)化。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)常用于控制氯添加劑。Prima PRO也能用于催化劑的開(kāi)發(fā)研究，其目的是在高活化率的條件下增加催化效率。

聚烯烴生產(chǎn)

聚乙烯（PE）主要按其密度和支鏈分為幾種不同的類(lèi)別。聚乙烯的物理性能主要取決于幾個(gè)變量，包括支鏈的長(zhǎng)度和類(lèi)型，晶體結(jié)構(gòu)和分子量。高密度聚乙烯（HDPE）的支鏈少，因此具有較強(qiáng)內(nèi)部分子力和抗拉強(qiáng)度。選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖头磻?yīng)條件可以減少支鏈。線(xiàn)性低密度聚乙烯（LLDPE）是一種有大量短支鏈的聚合物，通常由乙烯與短鏈α烯烴（如：1-丁烯、1-己烯和1-辛烯）發(fā)生共聚作用形成?？衫靡粋€(gè)或兩個(gè)流化床氣相反應(yīng)器的交換工藝來(lái)制造全范圍聚合物。這些聚合反應(yīng)器的進(jìn)料為乙烯、氫氣、共聚單體和循環(huán)氣。聚合物的質(zhì)量是通過(guò)氣體組份來(lái)控制的，這就需要準(zhǔn)確、快速在線(xiàn)分析

Prima PRO：精確，快速和多流路監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)期間生成的數(shù)據(jù)。其中將專(zhuān)為監(jiān)測(cè)五個(gè)工藝流路而配置的Prima PRO與專(zhuān)為監(jiān)測(cè)反應(yīng)器進(jìn)料氣體組分而整理的GC數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。Prima PRO清楚追蹤了氫氣/乙烯比的變化，精度高于GC。此外，Prima PRO更新DCS的速度要比單流路GC快九倍，即便Prima PRO測(cè)量五個(gè)流路亦是如此。在前四十個(gè)PMS數(shù)據(jù)點(diǎn)中，DCS試圖利用GC數(shù)據(jù)來(lái)控制這個(gè)比率。當(dāng)控制切換至Prima PRO數(shù)據(jù)時(shí)，此比率變化的監(jiān)測(cè)得到顯著改進(jìn)，包括： 

•  產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定

•  分子量分布更集中

•  不合格產(chǎn)品更少

•  穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)有所改進(jìn)

合成氨

從烴進(jìn)料中除去硫，然后與蒸汽混合通過(guò)鎳基催化劑，生成氫氣和一氧化碳。通過(guò)將蒸汽 /碳比維持在 3:1以上，將單質(zhì)碳的形成減至最低限度，從而保護(hù)催化劑。未反應(yīng)的甲烷（稱(chēng)作“損耗”）亦需控制在較低水平，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)化爐 /變換爐的性能。在次級(jí)重整 /裂化裝置中，空氣在流量控制條件下引入，使氫 /氮比為 3:1。空氣中的氧氣可將大部分 CO氧化成 CO₂，同時(shí)加入蒸汽，以便將剩余的 CO轉(zhuǎn)化為CO₂和氫氣。在吸收塔中除去大部分CO₂，微量的碳在催化劑作用下轉(zhuǎn)化成甲烷。轉(zhuǎn)爐進(jìn)料氣與循環(huán)氣混合，轉(zhuǎn)爐入口處的氫 /氮比（H:N）再次受到嚴(yán)格控制，以實(shí)現(xiàn)NH3轉(zhuǎn)化效率的最大化。進(jìn)氣中所包含的惰性氣體（如：氬氣和氦氣）的聚集情況需要予以監(jiān)測(cè)，因?yàn)檫@些氣體如果不定期清除的話(huà)，會(huì)成為重要的稀釋劑。

Prima PRO：穩(wěn)定，可靠的在線(xiàn)氣體分析 

• 進(jìn)氣組分和熱值計(jì)算精度最高；因嚴(yán)格控制蒸氣/碳比（±0.01%）而減少消耗掉的能量 

• 精確控制氫 /氮比（±0.003%），使產(chǎn)量最大準(zhǔn)確測(cè)量甲烷損耗，以降低生產(chǎn)成本

• 與較慢的色譜或穩(wěn)定性較差的質(zhì)譜控制作用相比，高取樣率（在不到兩分鐘內(nèi)10至12流路）可使產(chǎn)量提高1%至2%

• 總成本極低 

• 快速收回成本 

有毒揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的泄漏

只要化學(xué)品生產(chǎn)裝置存在，就存在有毒揮發(fā)性有機(jī)物泄漏的潛在危險(xiǎn)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)通常都會(huì)要求工廠(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境氣體成分，以避免工人受到長(zhǎng)期接觸的傷害。有各種形式的捕獲裝置包括真空罐（蘇瑪罐）、可揮發(fā)性有機(jī)物報(bào)警器或吹掃和捕獲裝置。收集到的樣品需要送往環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。另外，還可利用電化學(xué)傳感器來(lái)即時(shí)顯示是否存在濃度超過(guò)預(yù)定水平的目標(biāo)分子。還有一種定量方法是使用開(kāi)路式傅利葉變換紅外光譜儀測(cè)定VOC是否在警戒線(xiàn)以?xún)?nèi)。利用這些不同技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)，通常都用來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)的要求。然而，這些技術(shù)都不能提供滿(mǎn)足訴訟依據(jù)要求的時(shí)間和空間的分辯率。

Sentinel PRO環(huán)境質(zhì)譜儀：簡(jiǎn)單全面的數(shù)據(jù)采集

Sentinel PRO環(huán)境質(zhì)譜儀能夠在15分鐘以?xún)?nèi)監(jiān)測(cè)100個(gè)以上的取樣點(diǎn)，并在0.01至1ppm精度范圍內(nèi)檢測(cè)特定物質(zhì)。憑借其速度和精度，它可監(jiān)測(cè)所有關(guān)鍵區(qū)域的短時(shí)泄漏，并提供準(zhǔn)確的8小時(shí)、時(shí)間加權(quán)平均泄露數(shù)據(jù)。由于具有大量可用的取樣點(diǎn)，許多取樣點(diǎn)可位于靠近潛在泄漏點(diǎn)的地方，如：閥桿處等，以便在有毒危害發(fā)生之前進(jìn)行泄漏檢測(cè)和修復(fù)。盡管安裝這種裝置的主要目的是為了保護(hù)操作人員和符合環(huán)保法規(guī)，但其使用效果往往超越了對(duì)泄露防護(hù)的要求。