丁烯與異丁烷烷基化生產(chǎn)裝置自控系統(tǒng)的設(shè)計

李若巖 景 麗 陳建敏 朱雨寒 彭 蓉

(1.中國石油蘭州寰球工程公司，蘭州 730060；2.中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

隨著世界汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用汽油消費量增長迅速，相應(yīng)地車用汽油燃燒尾氣排放量也顯著增加，導(dǎo)致全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重。為了節(jié)約能源并保護(hù)環(huán)境，提高車用汽油產(chǎn)品的質(zhì)量，降低汽油中硫和烯烴的含量，清潔汽油的生產(chǎn)顯得尤為重要。

采用汽油調(diào)和技術(shù)和增加高辛烷值汽油組分比例的方法可以顯著地提升汽油的品質(zhì)。丁烯與異丁烷烷基化油具有較高的辛烷值(94～96)、較低的蒸汽壓、較低的敏感性，不含烯烴、芳烴和硫化物，揮發(fā)性和燃燒性能好的特點，是調(diào)和汽油的理想組分之一。

某廠經(jīng)過市場調(diào)研和技術(shù)論證后，決定利用國內(nèi)充沛的混合碳四資源，采用硫酸法烷基化技術(shù)生產(chǎn)工業(yè)異辛烷產(chǎn)品，建設(shè)年產(chǎn)16萬t/a工業(yè)異辛烷項目(以下簡稱異辛烷項目)，提高資源的綜合利用率，實現(xiàn)資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的轉(zhuǎn)化，以提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在此，重點介紹16萬t/a工業(yè)異辛烷裝置自控系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 烷基化裝置工藝流程①

硫酸烷基化工藝是以催化裂化裝置副產(chǎn)的混合碳四烴中的異丁烷和丁烯為原料，以濃度為90%～98%的硫酸為催化劑，在低溫下液相反應(yīng)生成烷基化油的工藝過程，硫酸烷基化急冷工藝流程如圖1所示。烷基化裝置全流程由反應(yīng)單元、制冷單元、酸烴沉降分離單元和產(chǎn)物精制分餾單元組成。烷基化反應(yīng)單元中，在硫酸催化劑的作用下異丁烷和丁烯進(jìn)行加成反應(yīng)生成烷基化油；制冷單元是在壓縮機(jī)作用下，利用反應(yīng)物中大量的異丁烷減壓汽化吸收反應(yīng)熱，維持反應(yīng)在低溫液相狀態(tài)下進(jìn)行，同時為烷基化反應(yīng)系統(tǒng)提供足夠的循環(huán)制冷劑，保證低溫進(jìn)料和反應(yīng)物進(jìn)料的分子比；精制單元中，將反應(yīng)生成的烷基化油酸洗和堿洗，除去烷基化油中的酸性酯類化合物；分餾單元主要是將精制系統(tǒng)的烷基化油經(jīng)過脫除未反應(yīng)的異丁烷和正丁烷，在蒸餾塔分離出異丁烷和正丁烷，得到烷基化反應(yīng)產(chǎn)物異辛烷產(chǎn)品。

2 烷基化生產(chǎn)裝置各單元的自控原理

2.1 反應(yīng)單元

異丁烷與丁烯的烷基化是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中隨著反應(yīng)溫度的升高，放熱量減小，平衡常數(shù)隨著反應(yīng)溫度的升高而急劇降低，反應(yīng)從10℃升高到100℃，反應(yīng)溫度超過100℃后，平衡常數(shù)的變化趨于穩(wěn)定，降低幅度減小。因此從熱力學(xué)的角度看，盡可能地使烷基化反應(yīng)在低溫下進(jìn)行才會獲得異丁烷與丁烯烷基化高的反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器進(jìn)料流量穩(wěn)定不僅能保持物料平衡，還能保持反應(yīng)所需的停留時間，避免由于流量變化使反應(yīng)物帶入的熱量和放出的熱量發(fā)生變化，從而影響反應(yīng)溫度，因此研究進(jìn)料流量的控制十分必要。烷基化反應(yīng)器進(jìn)料控制原理如圖2所示。

圖1 硫酸烷基化急冷工藝流程示意圖

圖2 烷基化反應(yīng)器進(jìn)料控制原理

混合碳四經(jīng)過過濾器的過濾處理和聚結(jié)器的分離處理后，采用進(jìn)料總管壓力與各反應(yīng)器進(jìn)料流量串級控制，保證反應(yīng)進(jìn)料流量平穩(wěn)，各反應(yīng)器負(fù)荷相同；當(dāng)酸烴混合物溫度過高(超過20℃)時，安全聯(lián)鎖關(guān)閉各反應(yīng)器的進(jìn)料調(diào)節(jié)閥，確保烷基化反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，以達(dá)到較高的烷基化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，使丁烯轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.5%以上。

2.2 壓縮制冷單元

壓縮制冷單元的控制技術(shù)，主要是離心式壓縮機(jī)的防喘振控制。離心式壓縮機(jī)通過原動機(jī)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，以提高氣體的動能，再將動能轉(zhuǎn)換為氣體的壓頭。離心式壓縮機(jī)在運行過程中，當(dāng)負(fù)荷下降到一定數(shù)值時，氣體的排送會出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩現(xiàn)象，機(jī)身亦隨之發(fā)生劇烈振動，這種現(xiàn)象即為喘振。喘振發(fā)生時壓縮機(jī)出口壓力和出口流量表現(xiàn)為劇烈波動，壓縮機(jī)與所連接的管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備也發(fā)生強(qiáng)烈振動，甚至?xí)?dǎo)致壓縮機(jī)的損壞。因此，離心式壓縮機(jī)組的主要控制就是防喘振控制。

離心式壓縮機(jī)的壓縮比(壓縮機(jī)出口壓力p2與入口壓力p1之比，即p2/p1)與進(jìn)口氣體體積流量Q之間的關(guān)系如圖3所示，其中n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，QA為安全運行區(qū)進(jìn)氣量，QB為喘振臨界點進(jìn)氣量?？梢钥闯?，在每一轉(zhuǎn)速下，都有一個p2/p1值最高的點(稱為駝峰)。將不同轉(zhuǎn)速下的各個駝峰點連接起來就可以得到一條喘振邊界線(圖2中的粗虛線)。邊界線左側(cè)陰影部分為不穩(wěn)定的喘振區(qū)，邊界線右側(cè)部分則是安全運行區(qū)。

圖3 離心式壓縮機(jī)工作特性曲線

正常情況下，壓縮機(jī)的喘振是因負(fù)荷的減少，使被輸送氣體的流量小于該工況下特性曲線喘振點流量所致。因此，只能在必要時采用部分回流的辦法，使之既適應(yīng)工藝低負(fù)荷生產(chǎn)的要求，又滿足流量大于最小極限值(喘振點流量)的需要，只要返回氣體流量Q返≥Q喘-Q進(jìn)，就能滿足防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振的要求。

防喘振控制方案分為固定極限流量防喘振控制和可變極限流量防喘振控制兩類。固定極限流量防喘振控制原理(圖4)在于壓縮機(jī)的流量始終保持大于最大轉(zhuǎn)速下喘振點的流量值，QB為設(shè)定裕量的喘振進(jìn)氣量，在此狀態(tài)下操作壓縮機(jī)就不會產(chǎn)生喘振。

圖4 固定極限流量防喘振控制曲線

固定極限流量防喘振控制的控制方案如圖5所示，如果測量值大于QB則旁路閥完全關(guān)閉；如果測量值小于QB則旁路閥打開，使一部分氣體循環(huán)，直到壓縮機(jī)流量達(dá)到QB為止。這種方案的優(yōu)點是控制系統(tǒng)簡單，使用儀表少，系統(tǒng)可靠性高。其缺點是在轉(zhuǎn)速降低、壓縮機(jī)在低負(fù)荷運行時，極限流量的裕量顯得過大而造成能量浪費大，無疑會增加運行費用。

圖5 固定極限流量防喘振控制方案

可變極限流量防喘振控制方法，為減少壓縮機(jī)的能量損耗，壓縮機(jī)負(fù)荷通過調(diào)速改變。因為不同轉(zhuǎn)速工況下其喘振極限流量是一個變數(shù)，它隨轉(zhuǎn)速的下降而減小。為防止喘振的發(fā)生，必須滿足：

式中a、b——系數(shù)，由壓縮機(jī)制造商提供；

h1——入口流量的差壓；

β——流量系數(shù)。

按以上數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的可變極限流量防喘振控制方案如圖6所示。當(dāng)所測差壓值h1大于計算值時旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)閉；當(dāng)h1值小于計算值時則打開旁路調(diào)節(jié)閥，以防止喘振的發(fā)生[1]。

圖6 可變極限流量防喘振控制方案

綜上所述，考慮減小壓縮機(jī)組的能量損耗，生產(chǎn)負(fù)荷與喘振安全流量動態(tài)匹配的原則，本項目離心式制冷壓縮機(jī)防喘振控制方案主要包括離心式壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制和可變極限流量防喘振控制兩部分。離心式制冷壓縮機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速為變頻調(diào)速，由吸入閃蒸罐壓力控制電機(jī)變頻器頻率，閃蒸罐壓力值可反映離心式制冷壓縮機(jī)的進(jìn)氣量，壓力值升高則生產(chǎn)負(fù)荷增加，離心式制冷壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；壓力值降低則生產(chǎn)負(fù)荷減小，離心式制冷壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。

離心式制冷壓縮機(jī)機(jī)組可變極限流量防喘振控制中，較之在入口管道安裝流量測量節(jié)流裝置，對出口壓力影響較大，且壓縮機(jī)吸入壓力較低，不允許再有更多的壓力損耗，因此本項目流量測量節(jié)流裝置安裝在出口管道上。壓縮機(jī)廠家根據(jù)計算模型(考慮氣體的溫壓補(bǔ)償、入口與出口質(zhì)量流量相等關(guān)系等)和電機(jī)不同轉(zhuǎn)速(隨生產(chǎn)負(fù)荷變化)，對喘振點安全流量值重新設(shè)定，通過壓縮機(jī)吸入流量與喘振點安全流量(當(dāng)前轉(zhuǎn)速下)的對比，當(dāng)吸入流量大于喘振點的安全流量時，旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)閉；當(dāng)吸入流量小于喘振點安全流量時，旁路調(diào)節(jié)閥開始調(diào)節(jié)。

2.3 精制單元

精制單元將烷基化反應(yīng)器的生產(chǎn)反應(yīng)流出物通過酸洗和堿洗，吸收反應(yīng)流出物中的硫酸酯。這是因為反應(yīng)器流出物中夾帶的硫酸酯在脫異丁烷塔的高溫條件下會分解放出SO2，遇水會造成塔頂系統(tǒng)的嚴(yán)重腐蝕并在脫異丁烷塔再沸器結(jié)垢，必須予以脫除。

精制單元的主要控制為換熱器熱交換控制，如圖7所示。熱交換過程是物料在加熱和冷卻過程中，相互進(jìn)行熱量交換，熱流體將其熱量傳遞給冷流體，或者說冷流體將其冷量傳遞給熱流體。載熱體為脫正丁烷塔來的混合異辛烷，被加熱介質(zhì)為堿洗罐用堿液。通過換熱控制，既充分回收了混合異辛烷的熱量，又加熱了堿洗液，滿足堿洗流程的要求。

圖7 換熱器熱交換控制方案

2.4 分餾單元

分餾過程是利用混合液中各組分相對揮發(fā)度的不同，即在同一溫度下各組分的蒸汽壓的特性，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，同時使氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相，從而達(dá)到組分分離的目的。本項目有脫異丁烷塔和脫正丁烷塔，均設(shè)置了分餾塔，實現(xiàn)異辛烷產(chǎn)品與異丁烷、正丁烷的分離。

分餾塔都是在一定的壓力下進(jìn)行操作的，這是因為塔內(nèi)的氣-液平衡關(guān)系與塔壓有著密切的關(guān)系，塔壓的波動會破壞塔內(nèi)各層塔板的氣-液平衡關(guān)系，從而影響分餾塔的分離純度。此外，一般分餾塔都選擇溫度作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的間接指標(biāo)，而溫度和產(chǎn)品組分一一對應(yīng)的關(guān)系是隨壓力而改變的，只有在壓力一定時，溫度與產(chǎn)品組分才保持這種一一對應(yīng)的關(guān)系，因此本項目中分餾過程的主要控制有分餾塔的塔壓控制和塔溫控制。

2.4.1塔壓

脫異丁烷塔和脫正丁烷塔塔頂為液相采出，然而卻含有較多不凝氣體需要放空，采用如圖8所示的方案控制塔壓。該方案還設(shè)置了冷凝液溫度控制系統(tǒng)，這是因為在氣相產(chǎn)品量較多時，分凝器中的溫度與壓力平衡關(guān)系將隨氣相產(chǎn)品的成分而變，只有在一定冷凝溫度下才能保證氣相產(chǎn)品的成分不變。同樣，為保證液相產(chǎn)品的質(zhì)量，頂部壓力也應(yīng)進(jìn)行控制，使其維持定值。

圖8 分離塔塔壓控制方案

2.4.2塔溫

分餾塔塔溫控制為塔溫與低壓蒸汽流量串級控制，控制效果取決于測溫點位置的選擇?？刂茰囟葯z測點選擇在進(jìn)料板與塔頂(底)之間的靈敏板上。靈敏板是指當(dāng)塔受到干擾或控制作用時，塔內(nèi)各層塔板上的組分都會發(fā)生變化，隨之各層塔板的溫度也將發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，溫度變化最大的那塊塔板。靈敏板的位置可以通過逐板計算，經(jīng)比較后得到。但是塔板效益不易估準(zhǔn)，在它的附近設(shè)置多個檢測點，最后根據(jù)實際分餾塔運行中的情況，從中選擇最佳的檢測點作為靈敏板，如圖9所示。

圖9 分離塔塔溫控制方案

3 烷基化裝置自控系統(tǒng)的實現(xiàn)

本項目設(shè)有DCS和安全儀表系統(tǒng)SIS各一套，分別采用MACS-SM系統(tǒng)和HiaGuard系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站和現(xiàn)場控制站組成，現(xiàn)場控制站中包括主控單元設(shè)備和I/O單元設(shè)備。

3.1 DCS

本項目的DCS系統(tǒng)為全廠型過程控制系統(tǒng)(圖10)，設(shè)備包括現(xiàn)場控制站(4對控制器)、系統(tǒng)輔助柜(含安全柵、繼電器及防雷柵等)和上位機(jī)7臺(包括工程師站一臺，操作員站5臺，GDS氣體檢測監(jiān)視站一臺)。

圖10 DCS配置

3.2 SIS

SIS(圖11)不同于批量控制、順序控制和過程控制的工藝聯(lián)鎖，當(dāng)過程變量越限、機(jī)械設(shè)備故障、系統(tǒng)本身故障或能源中斷時，SIS能自動地完成預(yù)定的設(shè)定動作，使操作人員、工藝裝置和環(huán)保轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。

圖11 SIS結(jié)構(gòu)示意圖

本項目的SIS安全度等級為SIL2級，即裝置可能偶爾發(fā)生事故，發(fā)生事故時SIS對裝置和產(chǎn)品有較大的影響，并有可能造成環(huán)境污染和人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失較大。采用TüV萊茵公司認(rèn)證的HiaGuard系統(tǒng)，設(shè)備包括安全控制站(一對控制器)、系統(tǒng)輔助柜(含繼電器及防雷柵等)、上位機(jī)一臺(工程師站兼Sequence of Event，SOE站)和輔助操作臺一面。

3.3 主要的安全聯(lián)鎖控制

3.3.1反應(yīng)器酸烴出料溫度高高安全聯(lián)鎖

當(dāng)酸烴混合物出料溫度超過20℃時，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度過高，不利于丁烯的烷基化反應(yīng)轉(zhuǎn)化。在此狀態(tài)下，SIS安全聯(lián)鎖關(guān)閉各反應(yīng)器的進(jìn)料調(diào)節(jié)閥停止進(jìn)料，降低反應(yīng)器系統(tǒng)的反應(yīng)溫度(聯(lián)鎖信號來自一進(jìn)二出隔離式安全柵，送SIS信號)。待反應(yīng)器系統(tǒng)溫度達(dá)到要求時，繼續(xù)進(jìn)料，確保烷基化反應(yīng)在低溫條件下進(jìn)行，使丁烯達(dá)到較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器酸烴出料溫度高高安全聯(lián)鎖。

3.3.2制冷壓縮機(jī)停止/壓縮機(jī)入口分液罐液位高高安全聯(lián)鎖

當(dāng)制冷壓縮機(jī)停止或壓縮機(jī)入口分液罐液位超過1 500mm時，安全聯(lián)鎖打開放空切斷閥、關(guān)閉進(jìn)料切斷閥、關(guān)閉出料切斷閥(故障停信號來自PLC壓縮機(jī)入口分液罐浮筒液位計經(jīng)一進(jìn)二出隔離式安全柵，送SIS信號)。

4 結(jié)束語

采用DCS系統(tǒng)對烷基化裝置生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理；反應(yīng)單元采用進(jìn)料總管壓力與各反應(yīng)器進(jìn)料流量串級控制，保證反應(yīng)進(jìn)料流量平穩(wěn)，各反應(yīng)器負(fù)荷相同。壓縮制冷單元對喘振點的安全流量值進(jìn)行了設(shè)定，通過壓縮機(jī)吸入流量與喘振點安全流量(當(dāng)前轉(zhuǎn)速下)的對比，實現(xiàn)了離心式壓縮機(jī)組的防喘振控制。在確保分餾塔塔壓控制穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)了分餾塔塔溫的控制，采用靈敏板作為溫度檢測點，靈敏板的位置通過逐板計算，并在附近設(shè)置多個檢測點，經(jīng)DCS選擇控制，比較后得到最佳的檢測點作為控制靈敏板。

裝置自控系統(tǒng)設(shè)置了獨立的SIS，當(dāng)安全聯(lián)鎖觸發(fā)時，SIS能自動完成預(yù)定的設(shè)定動作，使操作人員、工藝裝置和環(huán)保轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。反應(yīng)器酸烴出料溫度高高安全聯(lián)鎖確保了烷基化反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，實現(xiàn)了較高的丁烯烷基化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；制冷壓縮機(jī)停止/壓縮機(jī)入口分液罐液位高高安全聯(lián)鎖，確保了裝置重要生產(chǎn)設(shè)備的安全運行和生產(chǎn)過程的安全受控。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.