丙烯酸反應(yīng)器操作區(qū)域的計(jì)算

孫 旭

(中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院自控室,吉林吉林 132002)

0 引 言

丙烯酸是生產(chǎn)丙烯酸酯的主要原料,可通過(guò)丙烯直接兩步法氧化制取丙烯酸。丙烯氧化反應(yīng)器是裝置中最重要的設(shè)備,其自動(dòng)控制也是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,反應(yīng)器操作區(qū)域的計(jì)算更是關(guān)鍵。兩步法氧化制取丙烯酸需兩臺(tái)反應(yīng)器,而第一臺(tái)反應(yīng)器是核心,該文以丙烯酸第一臺(tái)氧化反應(yīng)器為例來(lái)闡述操作區(qū)域的計(jì)算。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

液態(tài)丙烯進(jìn)入丙烯蒸發(fā)器進(jìn)行汽化,再經(jīng)丙烯過(guò)熱器微過(guò)熱。經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后空氣進(jìn)入進(jìn)料混合器與過(guò)熱丙烯充分混合后被送入第一反應(yīng)器R-101,丙烯與氧氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成丙烯酸及副產(chǎn)品丙烯醛等,反應(yīng)放出的熱量由熱熔鹽HTS帶走。汽化丙烯和空氣與惰性氣體(由蒸汽和循環(huán)氣組成)等在反應(yīng)器充分混合后會(huì)形成爆炸性混合氣體。氧化反應(yīng)操作在正常的區(qū)域是控制的關(guān)鍵,需要檢測(cè)物料的關(guān)鍵參數(shù)[1]。工藝流程如圖1所示。

2 反應(yīng)器操作區(qū)域的控制

氧化反應(yīng)操作區(qū)域如圖2所示[2],反應(yīng)器存在兩個(gè)爆炸區(qū)域。一個(gè)是由 FR1,FR2和FR封閉組成的反應(yīng)器條件計(jì)算的區(qū)域;另一個(gè)是混合器條件計(jì)算形成的區(qū)域,由 FM1,FM2和FM封閉組成。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,則必須由安全儀表系統(tǒng)SIS聯(lián)鎖停止氧化反應(yīng)[3]。在正常生產(chǎn)操作過(guò)程中,催化劑的選擇和保護(hù)很關(guān)鍵。需要對(duì)催化劑進(jìn)行欠空氣以及防止接觸液態(tài)水的保護(hù)。如果操作點(diǎn)的誤差區(qū)域與 F R3區(qū)域相接觸,則必須聯(lián)鎖停止氧化反應(yīng)。

圖1 工藝流程示意

氧化反應(yīng)操作區(qū)域如圖2所示[3]。

圖2 氧化反應(yīng)操作區(qū)域

氣化丙烯、空氣、蒸汽和循環(huán)氣的壓力、溫度以及流量,空氣的濕度,循環(huán)氣的氧含量等參數(shù)都需要重點(diǎn)監(jiān)控[4]。

2.1 操作點(diǎn)(XPP,XINT)的確定

操作點(diǎn)(XPP,XINT)的確定主要是計(jì)算出丙烯和惰性氣體的摩爾百分?jǐn)?shù)。進(jìn)入反應(yīng)器參與反應(yīng)的介質(zhì)都以氣態(tài)形式存在,由于氣體的可壓縮性,決定了流量測(cè)量與溫度、壓力等參數(shù)都有關(guān),需要對(duì)介質(zhì)的流量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償[5]。

丙烯摩爾流量補(bǔ)償qp的計(jì)算公式:

式中 qPP——丙烯流量;pPP——丙烯壓力; tPP——丙烯溫度;MPP——丙烯摩爾質(zhì)量;pPPB——丙烯的設(shè)計(jì)壓力;tPPB——丙烯的設(shè)計(jì)溫度; ZPPB——丙烯壓縮因數(shù);pS——現(xiàn)場(chǎng)表壓;A1,B1, C1——常數(shù)。

空氣摩爾流量補(bǔ)償qA的計(jì)算公式:

式中 ZA=1;qAir——空氣流量;pAir——空氣壓力;tAir——空氣溫度;MAir——空氣摩爾質(zhì)量; pAirB——空氣的設(shè)計(jì)壓力;tAirB——空氣的設(shè)計(jì)溫度;AHA——空氣濕度。

空氣中水的摩爾流量qAW的計(jì)算公式:

式中 MWT——空氣中水的摩爾質(zhì)量。

蒸汽摩爾流量補(bǔ)償qS的計(jì)算公式:

式中 qMP——蒸汽流量;pMP——蒸汽壓力; tMP——蒸汽溫度;MMP——蒸汽摩爾質(zhì)量; pMPB——蒸汽的設(shè)計(jì)壓力;tMPB——蒸汽的設(shè)計(jì)溫度;ZMPB——蒸汽壓縮因數(shù);A2,B2,C2——常數(shù)。

循環(huán)氣摩爾流量補(bǔ)償qG的計(jì)算公式:

式中 ZRG=1;qRG——循環(huán)氣流量;pRG——循環(huán)氣壓力;tRG——循環(huán)氣溫度;MRG——循環(huán)氣摩爾質(zhì)量;pRGB——循環(huán)氣的設(shè)計(jì)壓力;tRGB——循環(huán)氣的設(shè)計(jì)溫度。

總的摩爾流量qTOTAL:

丙烯的摩爾百分?jǐn)?shù) XPP:

空氣的摩爾百分?jǐn)?shù) XAir:

式中 ARG——循環(huán)氣氧含量。

惰性氣體的摩爾百分?jǐn)?shù) XINT:

2.2 爆炸區(qū)域的計(jì)算

丙烯氧化反應(yīng)事先需要預(yù)熱,反應(yīng)之后又放出很多的熱量需要及時(shí)撤走,同時(shí)壓力發(fā)生變化。預(yù)熱和反應(yīng)熱的撤走由 HTS來(lái)實(shí)現(xiàn),因此 HTS的溫度和反應(yīng)器頂部的壓力也是需要檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。丙烯酸反應(yīng)器存在兩個(gè)爆炸區(qū)域,下面分別對(duì)由反應(yīng)器條件計(jì)算和混合器條件計(jì)算形成的爆炸區(qū)域進(jìn)行闡述。

2.2.1 反應(yīng)器條件區(qū)域

反應(yīng)器條件計(jì)算所形成的爆炸區(qū)域由 F R1, FR2和 FR封閉組成。FR1為反應(yīng)器爆炸區(qū)域的上部邊界,F R2為反應(yīng)器爆炸區(qū)域的下部邊界, FR也是反應(yīng)器爆炸區(qū)域的邊界線[6],如圖 2所示。具體的計(jì)算公式:

2.2.2 混合器條件區(qū)域

混合器條件計(jì)算形成的爆炸區(qū)域由 F M1, FM2和 FM封閉組成。其中 FM1為混合器爆炸區(qū)域的上部邊界,FM2為混合器爆炸區(qū)域的下部邊界,FM是混合器爆炸區(qū)域的另外一條邊界線,如圖2所示。具體的計(jì)算公式:

式中 tMix——混合器M-102出口溫度。

2.3 催化劑保護(hù)區(qū)域的計(jì)算

為了保護(hù)催化劑,操作點(diǎn)必須位于 FR3區(qū)域以下。FR3具體的計(jì)算公式:

式中 L,M——常數(shù)。

2.4 誤差區(qū)域

任何一種測(cè)量?jī)x表都存在測(cè)量精度,也就是存在誤差[7]。為了更精確確定操作點(diǎn),應(yīng)考慮到儀表設(shè)備的滿量程誤差。由于選定的測(cè)量?jī)x表設(shè)備形式和廠商等各不相同,滿量程誤差也存在差異,需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定誤差區(qū)域。

3 結(jié)束語(yǔ)

丙烯氧化生產(chǎn)丙烯酸的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,筆者介紹的反應(yīng)器操作區(qū)域的計(jì)算方法已實(shí)際應(yīng)用于裝置中,運(yùn)行效果良好。但由于采用的專(zhuān)利技術(shù)和儀表設(shè)備的不同,計(jì)算方法會(huì)略有差異,建設(shè)單位需要根據(jù)生產(chǎn)操作的情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,改進(jìn)運(yùn)算公式,確定各種應(yīng)用常數(shù),不斷完善,以保證裝置的本質(zhì)安全運(yùn)行。

[1] Kawahara.The Process Package for Acrylic Acid plant[G]. Mitsubishi Chemical Engineering Corporation,2004.

[2] 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):27-30.

[3] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).SH/T3018-2003石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)石化出版社,2003.

[4] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[5] 顧樹(shù)生,王建輝.自動(dòng)控制原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[6] Kawahara.Emergency Shutdown Logic[G].Mitsubishi Chemical Engineering Corporation,2004.

[7] 張 毅,張寶芬,曹 麗,等.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.