UOP和Axens連續(xù)重整裝置催化劑提升控制系統(tǒng)的分析和比較

白丹江，蔡明件，王丁

(金澳科技(湖北)化工有限公司，湖北 潛江 433132)

連續(xù)重整裝置的反應(yīng)再生控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，連續(xù)重整技術(shù)被美國(guó)UOP和法國(guó)Axens兩家公司長(zhǎng)期壟斷。本文結(jié)合UOP和Axens兩家公司各自的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其中至關(guān)重要的子系統(tǒng)-催化劑提升控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析對(duì)比，為裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化操作提供參考。

1 UOP和Axens提升技術(shù)對(duì)比

1.1 提升設(shè)備

UOP提升技術(shù)的核心設(shè)備是L閥，由立管和水平短管組成。由L閥的結(jié)構(gòu)可知，少量的二次氣就能使得水平管內(nèi)催化劑被迅速流化，二次氣流量的增大可能會(huì)導(dǎo)致立管發(fā)生氣體倒串，立管內(nèi)的催化劑下落受阻，針對(duì)該問題，UOP給所有L閥的二次提升氣均設(shè)計(jì)了流量控制，確保在工藝波動(dòng)的情況下，能及時(shí)響應(yīng)調(diào)節(jié)二次氣流量[1]。

Axens提升技術(shù)的核心設(shè)備是發(fā)送罐。該發(fā)送罐輸送催化劑的原理和L閥一致，但結(jié)構(gòu)比L閥復(fù)雜得多。為實(shí)現(xiàn)催化劑的輸送，需要吹入大量的二次氣將插入罐內(nèi)的提升管喇叭口下緣四周待提升的催化劑松動(dòng)(流化)。由于該罐占用空間較大，正常操作中罐內(nèi)存有較多的催化劑，罐內(nèi)提升管大部分被深埋在催化劑中，二次氣流量的增大不會(huì)阻礙催化劑的正常下落和影響其提升。所以Axens提升方案的二次氣均沒有單獨(dú)設(shè)流量控制。

1.2 特殊計(jì)算模塊

催化劑在提升管內(nèi)加速上升的過程中，為減少磨損，需控制其在提升管內(nèi)的流速。該流速由總提升氣流量(一次氣與二次氣流量之和)決定。總提升氣流量主要受到提升氣相對(duì)分子質(zhì)量、溫度和壓力等因素的影響，如果提升氣相對(duì)分子質(zhì)量降低或溫度升高，壓力降低，那么提升氣的密度也隨之降低，在維持催化劑提升速度不變的情況下，所需的總提升氣流量也會(huì)降低。此時(shí)，如果不調(diào)整總提升氣流量的設(shè)定值，將導(dǎo)致實(shí)際的總提升氣流量大于需要的總提升氣流量，催化劑移動(dòng)加快，磨損加大[2]。

為能方便直觀地調(diào)整總提升氣流量的設(shè)定值，防止催化劑過度磨損，Axens在其提升控制系統(tǒng)中嵌入了一個(gè)總提升氣流量計(jì)算模塊。操作人員首先在DCS中輸入相關(guān)參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)自動(dòng)算出所需總提升氣的流量，結(jié)果顯示在DCS對(duì)應(yīng)的流量控制器界面中，最后操作人員決定是否采用該數(shù)值修改相應(yīng)流量控制器的設(shè)定點(diǎn)。

UOP的提升控制系統(tǒng)沒有類似模塊，UOP認(rèn)為只有當(dāng)進(jìn)料組分或者產(chǎn)品苛刻度發(fā)生明顯變化時(shí)，才可能需要考慮調(diào)整總提升氣流量的設(shè)定值，上述因素的改變對(duì)催化劑提升或磨損的影響并不大。

1.3 提升次數(shù)

UOP與Axens提升技術(shù)方案對(duì)比見表1所列。

表1 UOP與Axens提升技術(shù)方案對(duì)比

續(xù) 表 1

注： 1) 為方便對(duì)比，各提升線路用英文字母表示；同一字母后面的數(shù)字下標(biāo)表示提升控制方案類似但提升路線不同。

表1中可以看出，隨著裝置大型化的要求，為降低反應(yīng)再生系統(tǒng)裝置框架高度，UOP調(diào)整了反應(yīng)再生系統(tǒng)設(shè)備的布置，催化劑提升總次數(shù)由早期的3次發(fā)展到現(xiàn)在的6次，而Axens開發(fā)的并列式重整工藝不存在反再框架過高的問題，催化劑提升次數(shù)一直都維持在5次。

1.4 提升控制方案比較

1.4.1UOP提升線路B和Axens提升線路E比較

UOP提升線路B和Axens提升線路E的控制非常重要，它們直接控制了催化劑的循環(huán)速率。

1)UOP提升線路B的控制步驟：

a)操作人員輸入期望的循環(huán)速率。

b)系統(tǒng)根據(jù)該值自動(dòng)計(jì)算差壓控制器的給定值。

c)調(diào)整斜坡速率，控制二次風(fēng)量，使得該差壓控制器的設(shè)定值SP從初始值0逐漸緩慢提高到給定值。

d)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的閉鎖料斗循環(huán)時(shí)間和開工標(biāo)定的閉鎖料斗裝載量計(jì)算出實(shí)際的循環(huán)速率。

e)實(shí)際的循環(huán)速率與期望的循環(huán)速率相比較，如果實(shí)際的循環(huán)速率大于期望的循環(huán)速率，說明閉鎖料斗循環(huán)時(shí)間較短，提升速率較快，系統(tǒng)將差壓控制器的給定值下調(diào)；反之，實(shí)際的循環(huán)速率小于期望的循環(huán)速率，說明閉鎖料斗循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，提升速率較慢，系統(tǒng)將差壓控制器的給定值上調(diào)，直到實(shí)際的循環(huán)速率等于期望的循環(huán)速率。

2)Axens提升線路E的控制步驟：

a)操作人員根據(jù)手冊(cè)推薦范圍和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)直接輸入差壓控制器的給定值。

b)系統(tǒng)自動(dòng)修正該給定值，將修正值作為差壓控制器的給定值。

c)等待到系統(tǒng)計(jì)算出實(shí)際的循環(huán)速率。

d)如果經(jīng)人工判斷后，實(shí)際的循環(huán)速率與期望的循環(huán)速率一致，那么該修正值不需要調(diào)整；如果不一致，返回步驟a)，如此往復(fù)，直到摸索出與期望的循環(huán)速率相匹配的給定值。

3)比較。UOP提升線路B和Axens提升線路E總體控制思路是一致的，兩者均圍繞差壓控制器給定值的輸入和修正做比較，具體實(shí)施路徑各有特點(diǎn)：

a)對(duì)于壓差給定初值的輸入，UOP比Axens更直觀，Axens需要操作人員預(yù)估，而UOP內(nèi)置了一次提升氫氣/一段還原氣差壓和循環(huán)速率匹配的數(shù)據(jù)庫，輸入循環(huán)速率便可得到壓差值。

b)對(duì)于差壓給定值的修正，Axens和UOP的理念不一樣。Axens認(rèn)為再生器底1號(hào)提升器溫度波動(dòng)是影響催化劑提升速率的主要干擾因素，因此Axens構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的溫度函數(shù)來修正該給定值。而UOP則是通過直接比較實(shí)際循環(huán)速率和期望循環(huán)速率的偏差來調(diào)整差壓給定值。雖然表面上看來UOP對(duì)壓差給定值的修正方式符合常規(guī)的操作思路，更容易使人理解，但上述2種修正方式是UOP和Axens根據(jù)各自再生系統(tǒng)的特點(diǎn)開發(fā)出來的，并不存在孰優(yōu)孰劣的問題。UOP的閉鎖料斗容量小，屬于少量多批次移動(dòng)，系統(tǒng)每隔約3 min就可以計(jì)算出實(shí)際循環(huán)速率，然后和期望速率相比較來確定是否調(diào)整壓差給定值，響應(yīng)很快。而Axens的閉鎖料斗裝載量大，系統(tǒng)每隔1 h左右才能計(jì)算出實(shí)際循環(huán)速率，所以如果Axens采用UOP的控制方案，則存在時(shí)間滯后的問題，將導(dǎo)致控制不及時(shí)，最終影響產(chǎn)品品質(zhì)。通過對(duì)比UOP和Axens再生器的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，Axens的再生器內(nèi)沒有設(shè)冷卻段，從再生器底流出的熱催化劑主要依靠不做保溫的料腿被動(dòng)散熱，這就導(dǎo)致進(jìn)入1號(hào)提升器的催化劑溫度不受控，而提升器的溫度波動(dòng)又直接影響到催化劑的提升速率(即循環(huán)速率)。所以，這可能是Axens選擇將該溫度變量與循環(huán)速率關(guān)聯(lián)的一個(gè)原因[4-5]。

另外需要指出的是，為維持系統(tǒng)差壓的穩(wěn)定，UOP設(shè)置了斜坡函數(shù)，將提升線壓差緩慢爬坡到給定值，控制非常精細(xì)。Axens沒有設(shè)置斜坡函數(shù)，略顯簡(jiǎn)單。

1.4.2UOP提升線路A1～3和Axens提升線路D1～4比較

UOP提升線路A1～3和Axens提升線路D1～4屬于常規(guī)的催化劑提升控制方案，比較簡(jiǎn)單?？傮w上看，兩者基本類似，核心是料位加差壓串級(jí)控制。但由于UOP選用L閥作為提升設(shè)備，根據(jù)L閥的操作特點(diǎn)，UOP增設(shè)了流量控制，變?yōu)榱衔患硬顗杭恿髁侩p串級(jí)組合控制。同樣，為維持反應(yīng)器底部催化劑收集器與L閥之間差壓的穩(wěn)定可控，UOP也設(shè)置了斜坡函數(shù)，即催化劑提升速率限制器，通過調(diào)整提升線壓差變化率，使得提升線壓差平緩上升。此外，UOP進(jìn)一步將斜坡函數(shù)信號(hào)和料位信號(hào)結(jié)合組成選擇性控制，系統(tǒng)用低選信號(hào)去設(shè)定提升線差壓的給定值，此舉有利于開車和再生系統(tǒng)重啟的平穩(wěn)操作[6]。對(duì)于二反至三反間催化劑的提升，考慮到在某些情況下，二次提升氣和置換氣壓差過高導(dǎo)致催化劑不能順利下落，UOP單獨(dú)為提升線路A2增設(shè)了批量模式，增加了操作的靈活性。

1.4.3UOP提升線路C

UOP提升線路C專用于再生器底部L閥至再生催化劑分離料斗線路催化劑的提升控制，該線路的控制不能簡(jiǎn)單套用提升線路A的方案——采用料位作為主回路，主要有兩個(gè)原因： 如果采用提升線路A的方案控制待生催化劑分離料斗料位，那么意味著放棄對(duì)再生催化劑分離料斗料位的控制，一旦再生催化劑分離料斗料位過低，閉鎖料斗分離罐氫烴環(huán)境與再生器氧環(huán)境將面臨隔離失效的風(fēng)險(xiǎn)；如果采用提升線路A的方案去控制再生催化劑分離料斗料位，又會(huì)對(duì)再生器內(nèi)催化劑的燒焦控制等產(chǎn)生不利的影響。實(shí)際上，隨著閉鎖料斗的裝/卸料的進(jìn)行，再生催化劑分離料斗料位呈現(xiàn)出等幅周期性震蕩的規(guī)律，該料位不需要時(shí)刻保持在某個(gè)固定位置上。而提升線路A控制方案的目的恰恰就是維持料位的相對(duì)穩(wěn)定，這就會(huì)使得再生催化劑提升速率時(shí)大時(shí)小，從而破壞了再生器內(nèi)催化劑的正常流動(dòng)速率，為了使再生器內(nèi)催化劑燒焦、氯氧化、干燥和冷卻能平穩(wěn)控制，需要將再生器內(nèi)催化劑移動(dòng)速率保持在一個(gè)常數(shù)。

由UOP提升線路C方案的要點(diǎn)可知，UOP直接將提升線路C的差壓給定值和循環(huán)速率，即催化劑流量控制器的輸出關(guān)聯(lián)并做了一定的修正，催化劑提升比可以看做校正因子。在正常操作中，該提升線差壓控制器的給定值不隨再生催化劑分離料斗料位的周期性波動(dòng)而劇烈改變，提升速率相對(duì)恒定，從而保證了再生器內(nèi)催化劑移動(dòng)速率的恒定。

1.4.4冷態(tài)模式提升

蔣國(guó)權(quán)[7-9]等人對(duì)于UOP冷態(tài)模式提升有詳細(xì)的描述，這里簡(jiǎn)單介紹UOP冷態(tài)模式提升的主要特點(diǎn)。第一，反應(yīng)器內(nèi)的催化劑不提升至再生系統(tǒng)，即待生催化劑分離料斗僅在反應(yīng)器外執(zhí)行批量間歇循環(huán)，見表1中的提升線F1～3；第二，為方便控制提升總量，反應(yīng)器底催化劑收集器至L閥的退劑線上設(shè)有2臺(tái)循環(huán)開關(guān)閥以及1段變徑長(zhǎng)管用于存儲(chǔ)待提升的催化劑；第三，冷態(tài)模式提升速率始終恒定，不受還原段或緩沖段料位的影響，提升線上僅設(shè)壓差指示器用于判斷提升狀態(tài)。

UOP冷態(tài)模式提升的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)催化劑移出量可控且整個(gè)過程由相應(yīng)的程控系統(tǒng)完成，操作簡(jiǎn)潔。但缺點(diǎn)也很明顯，該冷態(tài)模式提升使用后，破壞了一反到四反內(nèi)催化劑的積碳分布，使得原先本應(yīng)去再生系統(tǒng)結(jié)焦的催化劑在反應(yīng)部分重新開工時(shí)仍滯留在反應(yīng)器內(nèi)再次參與反應(yīng)，從而引發(fā)該催化劑的二次結(jié)焦。

不同于UOP，Axens沒有設(shè)專用的冷態(tài)模式提升線以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，而是借用了已有的催化劑提升線路D1～4和E用于反應(yīng)器在冷卻期間或其他非計(jì)劃停工下催化劑的間歇批量轉(zhuǎn)移輸送，整個(gè)過程需手動(dòng)完成，步驟非常繁瑣，這里不再贅述。其特點(diǎn)主要有： 提升線路與正常生產(chǎn)時(shí)催化劑輸送線路完全一致，由于提升線路沒有改變，所以不存在催化劑二次結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)；與UOP用固定體積的變徑長(zhǎng)管控制單次提升量的設(shè)計(jì)思路類似，Axens以固定體積的提升罐空罐作為每次提升的結(jié)束條件。

2 結(jié)束語

UOP和Axens提升技術(shù)對(duì)比有以下幾個(gè)不同的方面：

1)與發(fā)送罐相比，L閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，占用空間小，對(duì)催化劑磨損小，但對(duì)催化劑提升控制稍顯復(fù)雜，二次提升氣要增設(shè)流量控制。

2)Axens比UOP多1只總提升氣流量計(jì)算模塊，方便操作人員及時(shí)調(diào)整總提升氣流量給定值，有利于減少催化劑磨損。

3)正常操作中，Axens重整工藝的催化劑提升次數(shù)比UOP多，但提升控制系統(tǒng)比UOP簡(jiǎn)單。

4)因閉鎖料斗系統(tǒng)和再生器的結(jié)構(gòu)不同，Axens和UOP在控制催化劑循環(huán)速率，即再生催化劑提升速率的方案也不同，各有千秋。

5)對(duì)于常規(guī)維持料位穩(wěn)定的催化劑提升控制方案，UOP和Axens的做法基本類似，但UOP針對(duì)L閥的特點(diǎn)以及不同的操作工況，引入了斜坡函數(shù)、選擇性控制系統(tǒng)和批量模式操作，控制更細(xì)致，相比之下，Axens僅僅是單串級(jí)控制，仍有改進(jìn)優(yōu)化的空間。

6)UOP在再生器和再生催化劑分離料斗之間增加了提升線路C，雖然降低了再生系統(tǒng)的高度，但提升控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

7)對(duì)于冷態(tài)模式提升，UOP引入了自動(dòng)控制，操作上明顯優(yōu)于Axens。雖然其方案容易導(dǎo)致催化劑二次結(jié)焦，但因催化劑循環(huán)量不大，催化劑二次結(jié)焦影響可控，所以整體上看，UOP仍占優(yōu)。