Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Přesnější a včasnější data z ethylenové jednotky

Unipetrol RPA, s. r. o., je přední český zpracovatel v oboru rafinerských, petrochemických a agrochemických surovin. Mezi petrochemické produkty, které opouštějí bránu litvínovského výrobního závodu této společnosti, patří polyethylen a polypropylen. Důležitou součástí zařízení pro výrobu těchto polymerů je ethylenová jednotka. Ta prošla v letech 2008 až 2010 modernizací, jejímž cílem bylo zpřesnit analytická data z jednotlivých procesů, zrychlit jejich získávání, a zvýšit tak výkonnost provozu. Zakázku zrealizovala firma Elmep, s. r. o., za podpory společnosti Siemens.

Celý projekt modernizace ethylenové jednotky (obr. 1) nesl název Využití potenciálu APC (Advanced Process Control – pokročilé řízení procesů). V jeho rámci bylo zapotřebí zajistit spolehlivé kvalitativní měření složení plynných látek při použití chromatografů tak, aby na základě takto získávaných dat bylo možné rychleji a precizněji zasahovat do výrobního procesu, a tím zlepšit celkový výkon ethylenové jednotky.

Ethylenová jednotka v Litvínově obsahuje celkem deset pyrolýzních pecí, které zpracovávají suroviny plynné (LPG, ethan a propan) i kapalné (HCVD – hydrokrakovaný vakuový destilát, primární benzin a ve velmi omezeném množství i naftu). V principu jde o termické, nekatalytické štěpení za přítomnosti vodní páry, jehož hlavními produkty jsou ethylen, propylen, frakce C4 a benzen.

Úsek pyrolýzních pecí je energeticky nejnáročnější

Projekt Využití potenciálu APC zasáhl hned několik technologických uzlů. První z nich, úsek pyrolýzních pecí, je z celé ethylenové jednotky jednoznačně energeticky nejnáročnější. Kvalita řízení zde má okamžitý dopad jak na spotřebu topného plynu, tak na složení produkovaného pyroplynu (vystupující plynná reakční směs obsahující vodík a uhlovodíky od methanu až po těžké olejové podíly, přičemž asi dvě třetiny této směsi tvoří uhlovodíky C1 až C4).

„Pro optimální řízení spalovacího procesu je nutné mít neustále k dispozici informace o složení spalin. Zejména je nezbytné znát co nejpřesněji obsah kyslíku a oxidu uhelnatého – nejekonomičtějšího provozu lze dosáhnout právě na hranici zadušení, která je indikována skokovým nárůstem obsahu CO ve spalinách. Při modernizaci byl desetinásobně zvětšen měřicí rozsah aparatury pro měření koncentrace CO – z 0 až 100 na současných 0 až 1 000 ppm – a dále přibylo měření obsahu oxidů dusíku,“ říká Ing. Otakar Mráz, technolog společnosti Unipetrol.

Současné kontinuální sledování složení produkovaného pyroplynu umožňuje pružně reagovat na změny složení vstupní suroviny a současně do jisté míry eliminovat odchylky při měření teplot na výstupu z pyrolýzních reaktorů. Zatímco původní uspořádání (jeden analyzátor společný pro dvě pyrolýzní pece) dodávalo data s mnohem nižší frekvencí, nové analyzátory poskytují výsledky každé tři minuty a navíc lze při jejich použití vyhodnocovat i průběh odkoksovacího procesu, neboť přibyla možnost sledovat obsah CO, CO2 a O2 na výstupu z pyrolýzního reaktoru.

Potřeba mimořádně přesného měření

Dalším dotčeným úsekem byl úsek hydro­genace frakce C2, kde je sledována kvalita vstupních i výstupních proudů acetylenového reaktoru (jde o dvouložový reaktor urče­ný k hydrogenaci acetylenu na ethylen). Tento úsek je mimořádně náročný, co se týče přesnosti měření obsahu acetylenu v nástřiku i v produktu. Velkým přínosem zde je zavedení měření obsahu zbytkového vodíku za prvním i druhým ložem.

Třetím úsekem, který byl vybaven novým měřicím zařízením, je úsek čištění vodíku, označovaný jako PSA (Pressure Swing Adsorption), kde se proud vodíku čistí adsorpcí CO a CH4 ve čtyřech ložích za střídání tlaků. Doplňkové měření obsahu methanu ve výstupním proudu umožňuje velmi dobře korigovat dobu provozu jednotlivých loží (v původním uspořádání tato možnost zcela chyběla).

Projekt modernizace se rovněž týkal i dvou hlavních produktů, tedy ethylenu a propylenu. „Kontinuální sledování kvality ethylenu a propylenu sice bylo obsaženo již v původním uspořádání, ale nové měřicí zařízení přineslo vyšší frekvenci vzorkování sledovaných veličin a následně také lepší využití nadřazeného řídicího systému. Nový způsob je použit jak na ethylenové, tak na propylenové koloně, tedy na aparátech určených k separaci zmíněných produktů,“ konstatuje Ing. Mráz.

Nové chromatografy značky Siemens

Společnost Elmep, která uvedenou zakázku realizovala, vsadila v oblasti měřicí techniky na značku Siemens. Deset dosavadních provozních plynových chromatografů konkurenčního výrobce tak nahradily přístroje Siemens Maxum umístěné v již existujících analyzátorových domcích na současných montážních rámech (obr. 2). Pro minimalizaci rizika úniku hořlavých látek uvnitř domku byly zároveň vyměněny také dosavadní systémy pro úpravu vzorků, nově umístěné vně analyzátorových domků. „Pro potřeby nové technologie jsme zvětšili počet komponent sledovaných při analýze a využíváme obě analyzační komory souběžně,“ vysvětluje jednatel firmy Elmep Stanislav Stránský. „Každá komora slouží jako samostatný chromatograf, čímž se odstraňuje nutnost přepínání proudů, a četnost analýz se tak zdvojnásobuje. Rychlejší odezva umožňuje efektivněji řídit provoz výrobní jednotky.“

Další změnou oproti původnímu stavu je instalace nového chromatografu pro analýzu obsahu kyslíku, CO a CO2 v pyroplynu vystupujícím z pyrolýzních pecí.

Řešení obtížných úloh

Zvláštní pozornost si zaslouží i nové řešení systému pro úpravu vzorků (obr. 3). Zde bylo nutné zajistit v určitých fázích technologického procesu bezpečný automatický proplach vzorkovací tratě a analyzační tratě dusíkem. Tentýž analyzátor je totiž využíván střídavě při dvou různých technologických procesech k analýze jednak pyroplynu a jednak spalin s podílem až 20 % kyslíku vznikajících při odkoksovávání pyrolýzního reaktoru. Proplach dusíkem zabraňuje smíchání spalin s obsahem kyslíku s pyroplynem; to by mělo za následek vznik explozivní směsi.

Další obtížnou úlohou byla eliminace stopového obsahu kapalné fáze uhlovodíků, jejíž nežádoucí přítomnost v minulosti výrazně negativně ovlivňovala spolehlivost a životnost analytické části původně instalovaných chromatografů. Na vyřešení úlohy se společně podíleli technici společností Unipetrol, Elmep a Siemens Karlsruhe.

Vyměněno bylo také deset analyzátorů pro měření obsahu O2, CO a nově měřené komponenty NO (přístroje Oxymat a Ultramat) včetně vybavených analyzačních skříní a otápěných potrubí pro přívod vzorků (obr. 4). Na výstupu jednotky dělení pyrolýzních plynů je použit nový analyzátor Ultramat pro měření obsahu methanu.

„Museli jsme také zajistit přenos dat ze všech tří analyzátorových domků do cen­trálního řídicího systému a komunikaci chromatografů s nadřízeným řídicím systémem, mimo jiné i z důvodu řízení podsystému automatického čištění odběrových sond. K těmto účelům jsou použity síťové rozváděče od společnosti Siemens Network osazené jednotkami Scalance a Network Access Unit (NAU). Data mezi chromatografy a síťovými rozváděči jsou přenášena metalickými kabely. Síťové rozváděče jsou propojeny optickými kabely. Jednotky NAU převádějí analogové a digitální výstupy z analyzátorů Ultramat, popř. Oxymat do datové podoby vhodné pro přenos. Analyzátory, chromatografy a aktivní prvky sítě – jednotky NAU a Scalance – tak tvoří rozlehlou průmyslovou datovou síť poskytující redundantním zálohovaným způsobem výsledky analýz i informace o stavu zařízení nadřazenému řídicímu systému,“ uzavírá S. Stránský.

(Siemens, s. r. o.)

Obr. 1. Ethylenová jednotka ve výrobním závodě společnosti Unipetrol RPA v Litvínově

Obr. 2. Chromatograf Maxum

Obr. 3. Nový systém pro úpravu vzorků plynu pro chromatografy

Obr. 4. Skříně s analyzátory plynů

Ethylen

Ethylen se používá k výrobě polyethylenu, dále také lihu a ethylbenzenu. Uplatnění nachází i při výrobě PVC. V podobě ethylenglykolu je součástí nemrznoucích kapalin. Hojně je využíván také v potravinářství, např. při umělém dozrávání ovoce a zeleniny.

Propylen

Propylen se používá se k výrobě polypropylenu a oxoalkoholů (změkčovadla do PVC, rozpouštědla). Uplatnění nachází také při výrobě kyseliny akrylové a akrylátů (těsnění, tmely, akrylátová vlákna), propylenoxidu či kumenu.