流化床反应器的控制与测量系统

出处：gooog 发布于：2007-04-29 09:56:49

【摘要】
本文通过分析丙烯腈生产中影响R101流化床反应器单程收率的几个主要因素，并且给出了工艺和自控上对上述因素的控制方法，特别指出利用简单的测量方法，利用DCS的计算功能，对上述一些不能直接测量的因素进行软测量，在实际应用中取得了良好的效果。
一、引言
　　年产2.5万吨丙烯腈（AN）装置（后扩产为4万吨）系引进美国SOHIO公司丙烯氨氧化法技术，以丙烯（C3H6）、氨(NH3)和空气(AIR)为原料，采用国产MB-96微球型催化剂（后经过多次更新，现为MB-99），在流化床反应器中生成AN、乙腈、丙烯醛、氢氰酸及一些重组分；反映气体经过急冷、吸收、精馏等过程得到AN，其工艺较为完善合理。目前世界上生产AN的装置大都应用该工艺路线，具有一定的先进水平，工艺过程中的控制测量系统采用日本横河公司生产的CENTUM-V型集散控制系统（DCS），仪表主要以ROSEMOUNT公司生产的1151系列变送器、西门子公司的氧分析仪、DKK公司的PH计以及其他现场仪表。全装置共有98套控制系统（含复杂控制系统）、386个工艺参数检测点和12套联锁系统。由于设计合理，整个装置的自控、检测亦达到了相当高的水平。该装置自投用以来，DCS系统工作稳定可靠、状态良好，有力地保证了生产的正常进行，取得了良好的经济效益。
　　在丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的生产中，流化床反应器（R101）是整个工艺的龙头设备。其工艺条件操作控制的好坏，直接影响到丙烯腈的产量、原材物料的消耗等关键技术指标。因此，精密控制、准确测量反应器的有关工艺参数，是保证正常生产和提高经济效益的重要条件。由于采用了较为先进的DCS系统，使得流化床反应器的控制与测量系统具有模拟仪表不可比拟的优点，特别是较为先进的控制技术得以实现，本文将对其进行着重阐述。
二、工艺概述
带控制点的工艺流程简图参见附图一。
　　液态的丙烯与液氨经过气化后，在管路中汇合后经反应器底部的丙烯、氨分布器进入反应器，压缩空气经反应器底部的空气分布器进入反应器，三种物料在处于流化状态下的催化剂的作用下，生成丙烯腈。反应方程式为：

　　在上述反应的同时，还有一系列的副反应。主要生成物有乙腈、氢氰酸、丙烯醛等。合成气体中夹带有催化剂，经反应器上部的旋风分离器分离，绝大部分催化剂返回到反应器中重复使用。反应气体经过反应气体冷却器（E102）冷却后，再经中和、吸收、萃取、精制等一系列过程的处理，得到成品丙烯腈。
三、影响流化反应的主要因素及R101控制及测量系统的分析与确定
1. 反应温度
　　反应温度是丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的一个重要工艺参数，反应器R101工作的好坏，可以明显地从反应温度上表现出来，当反应状况良好时，反应温度易于控制。另外反应温度对丙烯腈及副产品乙腈、氢氰酸的单程收率有一定的影响。见图二：

图二反应温度对丙烯腈单程收率的影响
　　如图所示，反应温度高，丙烯腈单程收率高、副产少。但当反应温度过高时，合成物易深度氧化，生成较多的CO2，温度难以控制；另外，若持续长时间的高温，还会缩短催化剂的寿命。生产中，实际温度控制在450℃左右。为了控制该反应温度,工艺上和自控上采取如下措施进行控制:
1) R101反应温度的粗调
　　由于丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的过程为一强放热反应，工艺上在R101反应段共加了３２组降温水管和?组过热管，管内通以软水，通过软水汽化产生蒸汽，从而带走反应所放出的热量。生产中，可根据生产负荷的大小投运不同数量的降温水管。特别是在反应器R101的开车阶段和负荷调整阶段,用该种办法可对反应温度进行粗调。
2) R101反应温度的细调
　　通过R101反应温度的粗调，可获得一定幅度内的反应温度，但由于多种干扰因素的影响，造成反应温度的不稳定，进一步的细调则采用了如图三（见下页）所示的温度自控系统，所用仪表及机能见表一。本控制系统实为一反应温度为主参数，丙烯、氨、空气流量为副参数的串级比值调节系统。其基本构思是：在丙烯腈生产负荷基本稳定的情况下，由于其反应放热近似为恒量，当投入一定量的降温水管后，反应放热与降温水管所带走的热量基本保持平衡。如果由于受到某种干扰，反应温度产生一偏差时，调节进入R101的丙烯进料量，在比值系统的作用下，氨、空气的进料量亦随之变化，使其稳定在给定值上。

表一、Ｒ１０１温度控制系统仪表一览表
本控制系统有以下几个特点：
A) 反应温度的测量：由于R101的直径较粗，单一个测温点不足以反映反应温度，选取在R101反应段两个不同的横截面上，各采用五支不同长度的热电偶分别测量其横截面上的五点温度，然后取其平均值。

TY1127（PV）和TY1122（PV）送至TX1127（选择开关）在实际操作中，可根据工艺状况选择TY1122（PV）或TY1127（PV），作为R101的反应温度值。
B) 为了确保生产负荷，在设计中考虑到对原料丙烯的投入设定量FS1101，并将原料丙烯的纯度值FS1102（经人工分析得出）输入到FY1101。经FY1101计算后，分别输出到FF1100[SV=1.05]与FF1101[SV=0.95]，两者分别送低值选择器FS1103与高值选择器FS1104,在与TC1103的MV值进行比较选择后,作为FC1101的给定值,显而易见由于以上条件的约束,其生产负荷可控制在95%～105%之间,亦即在R101降温水管投运使操作温度得到一定范围的粗调后,利用进料量来控制反应温度时,其生产负荷的可调量为10%(105%～95%),由此确保了产品产量。
C) 丙烯、氨、空气分别设有各自的流量调节系统，并分别进行压力、温度补偿，可以准确的测量其流量，并为准确的控制氨烯比、氧烯比和测量R101内的线速度等，提供了充要条件。
针对丙烯、氨、空气的温压补偿，CENTUM 系统专门设计了一个函数

RD——表示丙烯、氨、空气未经补偿的流量
P——表示丙烯、氨、空气当前的压力
T——表示丙烯、氨、空气当前的温度
Tb——表示温度设计参考值
Pb——表示压力设计参考值
Ts——表示温度仪表量程值
Ps——表示压力仪表量程值
这里，将丙烯、氨、空气流量在DCS中的计算公式陈列如下，具体推导过程暂且省略：
FC-1101：
A=5.045
B=0.1722
C=2.731
D=TPC（RD，PV（PR1103），PV（TC1105），A，B，C）
PV=D
FC-1102：
A=5.045
B=0.1722
C=2.731
D=TPC（RD，PC（PR1104），PV（TC1106），A，B，C）
PV=D
FC-1103：
A=3.248
B=PV（PI1124）+0.26
C=PV（TI1187）+1.09
D=（A*B）/C
E=SQRT（D）*RD
PV=E
　　当反应温度受到干扰因素的影响偏离设定值时，TC1103的输出改变，通过FS1103，FS1104进行高低值选择后，作为FC1101的给定值，调整进料C3H6的流量。进料C3H6量的 PV值在FY1102进行C3H6纯度修正后，分别由FF1102、FF1103，按所设定的氨烯比与氧烯比计算出所需的原料氨及空气流量的设定制，由FC1103控制进料氨与空气的流量，从而达到原料的比值控制。
D) 设置了FI1103低值连锁系统，当空气流量FC1103低于一定值，将对R101催化剂造成危害时，连锁相关电磁阀紧急停车，保证催化剂的安全。
E) 设置了 FF—1111H（氧烯比）高值连锁系统，当生产中丙烯中断时，可表现在氧烯比过高。当氧烯比达到危险值时，FF—1111联锁相关电磁阀中断反应器进料，进行紧急停车。
F) 设置了F1112L（氨烯比）低值联锁系统，生产过程中，如果氨中断，可表现在氨烯比过低，当该值达到危险值时，F1112L联锁相应电磁阀，中断R101进料，紧急停车。
2. 氨烯比（NH3/C3H6）
　　实践证明：当氨烯比小于理论值时，会生成大量的丙烯醛、使AN的收率降低，并为后续精制工段带来困难，易造成产品AN内含丙烯醛太高而造成产品不合格。反之，若NH3/C3H6过高，AN 的收率亦不增加，反而使NH3耗过高，加重了后处理急冷塔的负担，同时增加了用于中和过剩NH3的硫酸消耗用量。
3. 氧烯比（AIR/ C3H6）
　　理论上讲提高氧烯比有利于单收，中要原因是增加了催化剂的活性，但因为空气中只有氧参与反应，因此，当AIR/ C3H6过大时，惰性气体量（主要是N2）增加，混合气体中的C3H6与NH3浓度相对降低，空气过剩，降低了生产能力。但若过低，反映过程缺氧，从而引起催化剂的活性下降，甚至使催化剂失去活性而报废。
4. 线速度（v）
　　线速度也是流化床反应器的一项重要参数。工艺上线速度的期望值为0.6m/s，线速度过低，催化剂的流化状态不好，从而影响AN 收率，反之，如果线速度过高，则降低R101顶部旋风分离器的分离效果，造成价值昂贵的催化剂损失量过大，降低了经济效益。理论上线速度可由进入R101的原料气总量，并对其进行温度与压力的修正后得到：
　　考虑到温度、压力的影响，空塔线速可按以下的经验方法进行计算：

式中：v——线速度（m/s）
vc3——进料丙烯的流量（Mm3/s）
VNH3——进料氨的流量（Mm3/s）
vAIR——进料空气的流量（Mm3/s）
P——R101的操作压力（MPa）
T——R101的操作温度（℃）
A——R101的横截面积（㎡）
1.05——流出物的克分子量对进料克分子量的比率
　　当R101制作完毕后，A即为常数，由式（1）可以看出，在一定的t与P下控制了vc3、VNH3、vAIR就可控制v。
　　DCS中R101线速度VR1101的测量:R101线速度自控上不能直接进行测量，通过上述分析我们可以看出：进入反应器的丙烯、氨、空气的流量以及它们的温度、压力都可以直接测量得到，因此，利用DCS的计算功能，我们完全可以通过自控的软测量技术来得到反应器的空塔线速。
　　利用式（1），即可由FC1101、FC1102、FC1103的PV值经过TC1103与PI1105的PV值补偿计算后得到空塔线速：

　　由于DCS本身的限制，实际在DCS中的计算语句为：

5. 接触时间（t）
　　丙烯、氨氧化法反应是气固相催化反应，反应是在催化剂表面进行的，原料气和催化剂必须有一定的接触时间，使原料气能尽量地转化为合成产物。流化床反应器的接触时间，通常用原料气通过催化剂床层静止高度的时间表示，即：

式中：t——接触时间（s）
H——反应器中催化剂层的静止高度（m）
V——工作状态下的线速度（m/s）
　　如前所述，当三种原料流量、以及操作温度t、操作压力P为稳定值时，即可得到v，由式（2）显而易见，在一定的线速度下，t只与催化剂层的静止高度有关，测得H即可得到t。
　　流化床的气体流化状态看起来非常象沸腾的液体，并在许多方面表现出类似液体的性质，这就为测量H提供了条件：如图四所示，假设流化床催化剂的平均密度为ρ，分别在A、B、C三点取压，并设流化床层催化剂的高度为H2，则A、B、C三点的压力分别为：

联立式（3）、式（4），解得H2得

图四催化剂密度及床层高度测量示意图
　　根据反应器的床层膨胀比的设计值为2.0，可以得出催化剂床层的静止高度为：

　　由式（７）可以看出，若在设计中适当选取Ｈ１的位置和距离，并当工艺稳定控制好各原料的进料量以及操作压力与温度，即Ｋ２为一常数时，接触时间只与ΔＰ２和ΔＰ１有关，分别测得ΔＰ２和ΔＰ１，即可得到ｔ。
　　接触时间（KI1101）的测定：如前所述，接触时间可根据式（7）进行测定，因此设置了床层高度LR1101与催化剂密度DR1101两套测量系统，设计中H1取0。7m，并通过DCS内部仪表的连接与计算，得出接触时间，其回路见图五所示：

　　其运算式为：

　　仪表采用1151差压变送器，值得一提的是，由于MB-98催化剂的颗粒非常细小，反应器的操作压力约为0.06MPa，如果仪表接口处有泄漏或因检验仪表时不注意，催化剂极易填充、杜塞仪表引压管，仪表不能正常工作。因此，测量方法上采用吹气法进行，引压管线与设备的连接有一定夹角，并用限流孔板控制N2吹起流量。
另外，在整个反应器各种参数的测量中，还有催化剂的床层高度、催化剂密度、催化剂藏量等许多参数都是由软测量技术得到，在此就不一一叙述。
6. 关于R101反应过程中的其它问题
1) MB-96催化剂的价格非常昂贵，生产过程中如果空气流量不足时，将造成反应缺氧，甚至使催化剂失去活性而报废，带来严重的经济损失。
2) 美国绿湖丙烯腈工厂生产中曾由于设备故障，造成氨进料中止，使丙烯与空气在反应器中燃烧，产生大量热量，曾将反应气体冷却器烧化，造成严重事故。
3) 如果生产中进料丙烯中断时，亦可造成氨与空气在反应器中燃烧，效果类似于（２）。
以上问题在生产中必须给予高度重视。
三、应用效果及改进设想
1. 丙烯、氨氧化法生产丙烯腈，其流化床反应器的操作特点是高温、剧毒、物料易燃易爆，相关因素多，各项工艺参数指标控制相当严格，生产操作中稍有不慎，极易造成生产事故。由于对硫化床进行了周密的分析，采取了合理的控制方案，加之使用了具有丰富的运算控制可逻辑判断功能，便于集中监视和操作的DCS系统。同时，对一些不能直接测量的关键参数进行了软测量，满足了工艺要求，全部控制输入/输出卡件等主要硬件均双重化配置，从而大大地增强了系统的可靠性，满足了工艺复杂多变的要求。装置自开车以来的实践证明：反应器控制系统的工作状况良好，各项指标均达到设计要求，保证了生产的正常进行。
2. 生产过程中，某次由于操作人员失误，切断了进反应器的氨流量，联锁系统马上动作，进行了紧急停车，避免了事故的发生，有效地保证了安全生产。
3. 改进设想：反应器进料丙烯纯度现在是由人工进行分析后，通过修改FS1102的值，这样做存在许多弊端：⑴每批原料必须先行分析，浪费人力物力；⑵DCS参数修改频繁，不利于稳定操作，现设想增加在线色谱分析仪，对进料丙烯采取连续分析，并在控制系统中作相应的改动取代人工分析和人工设定的方法使其控制系统更趋完善，充分发挥DCS系统的功能强、高的特点。
参考资料：
⑴国井大藏流态化工程
⑵丙烯腈操作规程
⑶YOKOGAWA Technical Information Distributed Process Control System Models CFCS2 and CFCD2 Field Control Stations

作者单位：齐鲁石化　
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