丙烯酸反應(yīng)器爆炸曲線計(jì)算及其DCS實(shí)現(xiàn)

何家輝 谷 健 陳卓珺

(中國石油蘭州石化公司電儀事業(yè)部，蘭州 730060)

中國石油蘭州石化公司8萬t/a丙烯酸和10萬t/a丙烯酸酯裝置采用中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司(CPE)東北分公司開發(fā)編制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝包，即采用先進(jìn)可靠的丙烯氣相兩步氧化法技術(shù)生產(chǎn)丙烯酸和連續(xù)酯化法技術(shù)生產(chǎn)丙烯酸甲/乙酯。

整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備為兩臺丙烯氧化反應(yīng)器，其自動(dòng)控制也是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。丙烯與空氣、惰性氣體(由蒸汽和循環(huán)氣組成)混合后會形成爆炸氣。一旦操作點(diǎn)進(jìn)入爆炸區(qū)域，則整個(gè)裝置都有爆炸的危險(xiǎn)，所以氧化反應(yīng)操作在正常的區(qū)域是控制的關(guān)鍵。

1 工藝流程概述①

新鮮空氣經(jīng)空氣過濾器除塵和空氣壓縮機(jī)壓縮后分為兩路(圖1)[1]，一路去第一反應(yīng)器R-1101的預(yù)混合器M-1101，另一路進(jìn)入第二反應(yīng)器R-1102的進(jìn)料混合器M-1103。壓縮空氣、來自管網(wǎng)的蒸汽和循環(huán)氣在預(yù)混合器M-1101中混合后進(jìn)入第一氧化反應(yīng)器R-1101的進(jìn)料混合器M-1102。與過熱后的丙烯在進(jìn)料混合器M-1102中混合后進(jìn)入第一氧化反應(yīng)器R-1101?；旌虾髿怏w的摩爾比為：丙烯︰氧氣︰水蒸氣︰循環(huán)氣=1.0︰1.7︰1.0︰2.4，其中，循環(huán)氣中不包括丙烯、空氣和水。

圖1 工藝流程示意圖

第一氧化反應(yīng)器R-1101是固定床列管式反應(yīng)器，列管內(nèi)裝填有Mo-Bi系催化劑，原料氣體在Mo-Bi系催化作用下，生成丙烯醛及部分丙烯酸等產(chǎn)物。R-1102是列管式固定床反應(yīng)器，列管內(nèi)裝填有Mo-V系催化劑，原料氣體在催化作用下生成丙烯酸等產(chǎn)物。R-1101急冷段出口氣體、水、氮?dú)?、丙烯醛與由K-1001 送來的空氣在M-1103中充分混合后進(jìn)入R-1102，在R-1102 中丙烯醛進(jìn)一步氧化生成丙烯酸。M-1103 中的混合氣體，氧氣與第一反應(yīng)器加入的丙烯的摩爾比為0.5∶1.0，混合氣的溫度為230℃。

2 丙烯酸操作區(qū)域計(jì)算的描述

2.1 操作區(qū)域描述

氧化反應(yīng)操作在正常區(qū)域是控制的關(guān)鍵，反應(yīng)器存在兩個(gè)爆炸區(qū)域(圖2)：一個(gè)是由混合器M-1102爆炸上限FNYM1、爆炸下限FNYM2和爆炸端線FNXM封閉組成的混合器條件計(jì)算的爆炸區(qū)；另一個(gè)由第一氧化反應(yīng)器爆炸上限FNYR1、爆炸下限FNYR2和爆炸端線FNXR封閉組成的1#反應(yīng)器條件計(jì)算的爆炸區(qū)[2]。

圖2 丙烯氧化操作區(qū)域

反應(yīng)的操作點(diǎn)必須位于兩個(gè)爆炸區(qū)域以外?？紤]到儀表設(shè)備的誤差，操作點(diǎn)有可能擴(kuò)展到誤差區(qū)域，如果此誤差區(qū)域與爆炸區(qū)域相接觸，則必須由ESD停止氧化反應(yīng)。在正常生產(chǎn)操作中，催化劑的選擇和保護(hù)很重要。需要對催化劑進(jìn)行欠空氣和防止接觸液態(tài)水的保護(hù)。如果操作點(diǎn)的誤差區(qū)域與催化劑欠空氣保護(hù)線FNYR3區(qū)域相接觸，則必須由ESD邏輯停止氧化反應(yīng)[2]，操作點(diǎn)必須位于FNYR3區(qū)域以下。若進(jìn)氣條件接近露點(diǎn)TD，則催化劑存在被水浸濕而損壞的危險(xiǎn)，必須啟動(dòng)ESD邏輯停止氧化反應(yīng)器系統(tǒng)。

2.2 爆炸區(qū)域的構(gòu)成和計(jì)算

第一氧化反應(yīng)器爆炸上限FNYR1=[-A×(xINT/100)+B×(THTS-C)+D+E×PRIK]×100，第一氧化反應(yīng)器爆炸下限FNYR2={I×(xINT/100)+J×[1-K×(THTS-C)]}×100，第一氧化反應(yīng)器爆炸端線FNXR=[F×(PRIK+1.0)+G×THTS+H]×100，混合器M-1102爆炸上限FNYM1=[-A×(xINT/100)+B×(TM-C)+D+E×PRIK]×100，混合器M-1102爆炸下限FNYM2={I×(xINT/100)+J×[1-K×(TM-C)]}×100，混合器M-1102爆炸端線FNXM=[F×(PRIK+1.0)+G×TM+H]×100，催化劑欠空氣保護(hù)線FNYR3=[-L×(xINT/100)+M]×100，催化劑防潮保護(hù)，水分壓PH2O=[(FMPS+FRG×0.206045+FAW)/FTOTAL]×(PRI+PS)，露點(diǎn)TD=O+P×PH2O+Q×PH2O2+R/PH2O，當(dāng)M-1102出口溫度低于介質(zhì)露點(diǎn)(即TM-TD≤0)時(shí)，ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。其中，A～M為常數(shù)，根據(jù)工況由設(shè)計(jì)院給定；THTS為HTS溫度；PRIK為反應(yīng)器頂部壓力，單位換算kPa→kgf/cm2，PRIK=PRI×0.010197kgf/cm2；PRI為反應(yīng)器R-1101頂部壓力；TM為M-1102出口溫度；FMPS為補(bǔ)償后的蒸汽流量；FRG為循環(huán)氣補(bǔ)償后流量；FAW為第一反應(yīng)器空氣帶水量；PS為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；TS為絕對零度；O～R都為露點(diǎn)計(jì)算常數(shù)，由設(shè)計(jì)院給定。

總摩爾流量(單位kmol/h)FTOTAL=FP+FA+FMPS+FRG+FAW，丙烯摩爾濃度(單位mol%)xPP=[(FP+FC3)/FTOTAL]×100，空氣摩爾濃度(單位mol%)xAIR={FA+[FRG×(AOXG/21)]}/FTOTAL×100，惰性氣(由蒸汽和循環(huán)氣組成)摩爾濃度(單位mol%)xINT=100-xPP-xAIR。其中，F(xiàn)P為丙烯流量；FA為空氣流量；FC3為循環(huán)氣中的丙烯流量；AOXG為循環(huán)氣氧氣含量。

2.3 儀表精度對操作點(diǎn)和誤差區(qū)的影響

氧化反應(yīng)的操作點(diǎn)為(xPP，xINT)，因儀表在實(shí)際測量過程中有測量誤差(帶正負(fù))存在，可能會造成操作點(diǎn)偏離。分別考慮丙烯流量、空氣流量、空氣濕度、蒸汽流量、循環(huán)氣流量、循環(huán)氣氧氣含量測量精度(帶正負(fù))，由xPP=[(FP+FC3)/FTOTAL]×100 ，xINT= 100-xPP-xAIR可計(jì)算出偏差最大的6個(gè)端點(diǎn)(J1、J2、K1、K2、M1、M2)，由此6個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)六邊形區(qū)域，即為操作點(diǎn)最大可能偏離的區(qū)域(圖2)。

3 防爆炸曲線、誤差工作區(qū)域和操作點(diǎn)的DCS實(shí)現(xiàn)

3.1 建立靜態(tài)坐標(biāo)

根據(jù)裝置工況給定數(shù)據(jù)xINT的范圍為20～65，xPP的范圍為0～11，制作出橫坐標(biāo)為20%～65%、縱坐標(biāo)為0%～11%的靜態(tài)坐標(biāo)，根據(jù)屏幕布局，對應(yīng)屏幕上橫坐標(biāo)20～65、縱坐標(biāo)38～5。

3.2 爆炸曲線的確定

3.2.1第一反應(yīng)器爆炸曲線確定

根據(jù)第一氧化反應(yīng)器爆炸端線方程，代入數(shù)據(jù)得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1024+0.248]×100，設(shè)置變量xINT-END-R=FNXR、xINT1=xINT-END-R。

計(jì)算第一氧化反應(yīng)器爆炸上限，先確定其爆炸上限起始點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)第一氧化反應(yīng)器的爆炸上限方程，代入變量得FNYR1=[-0.235×(xINT/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，因?yàn)殪o態(tài)坐標(biāo)系起始點(diǎn)x的坐標(biāo)為20，設(shè)置變量xINT0=20，則第一氧化反應(yīng)器爆炸上限起始點(diǎn)的x坐標(biāo)為20，y坐標(biāo)FNYR1-0=[-0.235×(xINT0/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則第一氧化反應(yīng)器爆炸上限的起始點(diǎn)為(xINT0，F(xiàn)NYR1-0)；接著確定第一氧化反應(yīng)器爆炸上限終點(diǎn)坐標(biāo)，第一氧化反應(yīng)器爆炸上限的終點(diǎn)為與第一氧化反應(yīng)器爆炸端線的交點(diǎn)，即FNYR1-1=[-0.235×(xINT-END-R/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則第一氧化反應(yīng)器爆炸上限的終點(diǎn)為(xINT1，F(xiàn)NYR1-1)。

計(jì)算第一氧化反應(yīng)器爆炸下限，先確定其爆炸下限起始點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)第一氧化反應(yīng)器爆炸下限方程，代入變量得FNYR2={0.02×(xINT/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，因?yàn)殪o態(tài)坐標(biāo)系起始點(diǎn)x的坐標(biāo)為20，所以設(shè)置變量xINT0=20，則第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的起始點(diǎn)x的坐標(biāo)為20，y坐標(biāo)FNYR2-0={0.02×(xINT0/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，則第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的起始點(diǎn)為(xINT0，F(xiàn)NYR2-0)；接著確定第一氧化反應(yīng)器爆炸下限終點(diǎn)坐標(biāo)，第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的終點(diǎn)為與第一氧化反應(yīng)器爆炸端線的交點(diǎn)，即FNYR2-1={0.02×(xINT1/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，則第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的終點(diǎn)為(xINT1，F(xiàn)NYR2-1)。

計(jì)算第一氧化反應(yīng)器爆炸端線，首先確定爆炸端線起始點(diǎn)坐標(biāo)，爆炸端線與第一氧化反應(yīng)器爆炸上限的交點(diǎn)即為爆炸端線的起始點(diǎn)坐標(biāo)，則第一氧化反應(yīng)器爆炸端線的起始點(diǎn)為(xINT1，F(xiàn)NYR1-1)；接著確定爆炸端線起始點(diǎn)坐標(biāo)，爆炸端線與第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的交點(diǎn)即為爆炸端線的終點(diǎn)坐標(biāo)，則第一氧化反應(yīng)器爆炸端線的終點(diǎn)為(xINT1，F(xiàn)NYR2-1)。

將PI-1015A上限140kPa、TI-1023上限370℃代入第一氧化反應(yīng)器爆炸端線可以計(jì)算出FNXR最大為43.116，所以將區(qū)域上限設(shè)置為44。

3.2.2混合器M-1102爆炸曲線確定

根據(jù)混合器M-1102爆炸端線方程，代入數(shù)據(jù)得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1011+0.248]×100，設(shè)置變量xINT-END-M=FNXR、xINT2=xINT-END-M。

計(jì)算M-1102爆炸上限，首先確定其爆炸上限起始點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)混合器M-1102爆炸上限方程，代入變量得FNYM1=[-0.235×(xINT/100)+0.0000736×(TI-1011-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，將xINT0=20代入方程，即得FNYM1-0=[-0.235×(xINT0/100)+0.0000736×(TI-1011-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則混合器M-1102爆炸上限的起始點(diǎn)為(xINT0，F(xiàn)NYM1-0)；接著確定混合器M-1102爆炸上限終點(diǎn)坐標(biāo)，將xINT2代入得到方程，即得FNYM1-1=[-0.235×(xINT2/100)+0.0000736×(TI-1011-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則混合器M-1102爆炸上限的終點(diǎn)為(xINT2，F(xiàn)NYM1-1)。

計(jì)算M-1102爆炸下限，首先確定其爆炸下限起始點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)混合器M-1102爆炸下限方程，代入變量得FNYM2={0.02×(xINT/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，將xINT0=20代入方程，即得FNYM2-0={0.02×(xINT0/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，則混合器M-1102爆炸下限的起始點(diǎn)為(xINT0，F(xiàn)NYM2-0)；接著確定混合器M-1102爆炸下限終點(diǎn)坐標(biāo)，將變量xINT2代入方程，即得FNYM2-1={0.02×(xINT2/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，則混合器M-1102下限的終端點(diǎn)為(xINT2，F(xiàn)NYM2-1)。

計(jì)算混合器M-1102爆炸端線，首先確定混合器M-1102爆炸端線起始點(diǎn)，爆炸端線與混合器M-1102爆炸上限的交點(diǎn)即為爆炸端線的起始點(diǎn)，則混合器M-1102爆炸端線起始點(diǎn)為(xINT2，F(xiàn)NYM1-1)；接著確定混合器M-1102爆炸端線終點(diǎn)，爆炸端線與第一氧化反應(yīng)器爆炸下限的交點(diǎn)即為爆炸端線的終點(diǎn)，則混合器M-1102爆炸端線終點(diǎn)為(xINT2，F(xiàn)NYM2-1)。

3.2.3欠空氣催化劑保護(hù)線確定

先確定欠空氣催化劑保護(hù)線起始點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)欠空氣催化劑保護(hù)線方程，代入變量得FNYR3=-L×(xINT/100)+M=[-0.1419×(xINT/100)+0.1336]×100，將xINT0=20代入方程，得到y(tǒng)坐標(biāo)FNYR3-0=[-0.1419×(xINT0/100)+0.1336]×100，則欠空氣催化劑保護(hù)線起始端點(diǎn)為(xINT0，F(xiàn)NYR3-0)；接著確定欠空氣催化劑保護(hù)線終點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)院所給數(shù)據(jù)將終點(diǎn)橫坐標(biāo)設(shè)為xINT17=60.8，代入方程得FNYR3-17=[-0.1419×(xINT17/100)+0.1336]×100，則欠空氣催化劑保護(hù)線終端點(diǎn)為(xINT17，F(xiàn)NYR3-17)。

4 結(jié)束語

丙烯氧化生產(chǎn)丙烯酸的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在實(shí)際生產(chǎn)中，一般都根據(jù)防爆炸曲線方程組設(shè)計(jì)ESD聯(lián)鎖停車程序，很少用此方程組設(shè)計(jì)DCS操作畫面，導(dǎo)致不能有效、直觀地指導(dǎo)操作人員及時(shí)調(diào)整操作，進(jìn)而使裝置停車。筆者闡述的反應(yīng)器操作區(qū)域的計(jì)算方法和DCS曲線制作已實(shí)際應(yīng)用于中國石油蘭州石化丙烯酸裝置中，運(yùn)行效果良好，指導(dǎo)操作及時(shí)。以上所述內(nèi)容可以為其他類似問題提供借鑒。

[1] 孫旭.丙烯酸氧化反應(yīng)器的控制[J].石油化工自動(dòng)化，2009，45(1)：30～33，42.

[2] 孫旭.丙烯酸反應(yīng)器操作區(qū)域的計(jì)算[J].石油化工自動(dòng)化，2010，46(5)：11～13，19.