環氧乙烷反應系統的關鍵控制方案

史結清 陳真生 楊繼華

(浙江中控技術股份有限公司,杭州 310013)

工業上，環氧乙烷(EO)的主要用途是生產乙二醇(EG)，目前，國內EO與EG大多為聯產裝置(EOEG裝置),普遍采用以純氧和乙烯為原料，氧化反應生成EO、EO水合生成EG的工藝路線(氧氣氧化法)[1]。

EO反應系統為EOEG裝置的核心，在安全操作限度內維持反應變量的設定值，保證EO的產量與收率，是其主要控制目標[2]。自控過程中，EO/EG生產工藝中的反應選擇性和氧氣在循環氣中的比例呈對數曲線關系，當氧氣含量達到一定值時會引發爆炸[3]。為了保證系統安全并達到預定的EO產量與收率，在反應器的設計條件下(催化劑的容積、負荷和停留時間)，需要快速、準確又及時地掌握混合氣各組分的濃度，而對氧氣和乙烯的進料穩定控制是重中之重[4]，通過控制給料氣體的流量和入口氣體的溫度、壓力，利用鍋爐系統移走多余的反應熱以維持反應溫度[3]。

EO反應系統的工藝流程和進料系統控制回路如圖1所示。循環氣壓縮機出口的貧循環氣首先與新鮮乙烯和甲烷在管道中混合，然后，混合氣體進入氧混站，導入新鮮氧進料，在加入抑制劑后進入預熱單元(氣氣換熱器)與EO產物氣體進行熱交換(即預熱混合氣)，預熱后，混合氣進入列管式反應器，其中乙烯和氧氣在催化劑作用下進行放熱反應，部分乙烯轉化生成EO[5]。

圖1 EO反應系統工藝流程和進料系統控制回路

反應熱由反應器殼程中的沸水移走，水循環通過熱虹吸實現，反應放熱使列管外的水沸騰汽化為蒸汽。離開反應器殼程的水和蒸汽兩相混合物進入反應器汽包，水和蒸汽在此分離，水被送回反應段殼層循環使用，而汽包上方引出蒸汽被送到高壓蒸汽管網，鍋爐給水預熱后補充至汽包。含有產物EO的富循環氣從反應器流出，經過反應器/氣體冷卻器底部管程的沸水冷卻，富循環氣進入氣氣換熱器殼程進行冷卻，同時為反應進料氣加熱。冷卻后的富循環氣經過洗滌塔塔底進料/換熱器(E115)冷卻后流入洗滌塔，在洗滌塔的洗滌段，富循環氣中的EO被貧循環水吸收，再進入預飽和段、接觸段進行吸收和冷卻，貧循環氣送到洗塔底部的循環氣KO罐，清除夾帶的液體后輸送到循環壓縮機。

甲烷作為一種致穩劑加入循環物流中，可以提高可燃極限和氧在反應器進料中的允許濃度。通常甲烷首先進入再生塔進料閃蒸罐幫助回收乙烯，然后經回收氣體壓縮機增壓后進入循環氣系統，當回收氣體壓縮機不運行時，甲烷經甲烷壓縮機加壓后進入系統，可用于反應系統的最終加壓。

2 進料控制

循環EO反應過程中，進入反應器的混合氣由循環氣和新鮮原料氣混合而成，循環氣的主要組分有氧氣、乙烯、EO、二氧化碳、水、氮氣、氬氣、甲烷及乙烷等。循環氣中各組分的濃度和循環氣在反應器的停留時間直接體現了當前反應過程的轉化率和選擇性[6]。

2.1 氧氣與乙烯濃度采樣控制

實際生產過程中乙烯與氧的配比一定要在爆炸限以外，同時必須控制氧氣的濃度在合適的范圍內，氧氣濃度過低時催化劑的生產力變小；過高時反應放出的熱量大，易造成反應器的熱負荷過大，產生飛溫。

氧氣濃度的控制方案如圖2所示，循環氣中氧氣的濃度主要靠調節氧氣進料流量實現。氧氣濃度調節回路AC15B與氧氣流量調節回路FC16構成串級調節，氧氣增加的消耗量Ro乘以前饋增益C1的結果作為主回路AC15B的輸出補償(即前饋信號)，其中前饋增益C1需在回路調試時調整，氧氣增加的消耗量Ro由質譜儀軟件計算得出。此外，因氧氣的危險性，在自動控制中，氧氣濃度回路AC15B的設定值和氧氣流量回路FC16的設定值需加以限幅，避免增加過快。

圖2 氧氣濃度的控制方案

氧氣濃度檢測具有很大的滯后性，而且常規PID控制器對被控參數偏差的控制作用不能適時地反映出來，易造成控制過頭，引起過程超調嚴重。為此氧氣濃度控制器AC15B采用采樣控制器，采用“調一調、等等看”的方法，即當控制器調節一段時間后，就不再調整，保持原輸出值，直到控制作用的效果在被控量的變化中反映出來，然后再根據偏差與被控量的變化決定下一步的控制動作。

采樣控制的動態特性如圖3所示，當控制器具有積分作用，處于控制區ΔTc內時，控制器進行正常的控制運算輸出MV；當控制器處于保持時間區ΔTh內時，控制器停止運算，控制輸出MV保持不變。這是一種斷續的控制方式，它無需掌握精確的過程動態特性，就能克服被控變量中純滯后對控制帶來的不利影響，但是必須注意此時采樣控制保持時間的選取要略大于過程的純滯后時間[7]。

圖3 采樣控制的動態特性

循環氣中乙烯的濃度主要靠調節新鮮乙烯進料流量實現，循環氣乙烯濃度調節AC15A與乙烯流量FC18構成串級調節。乙烯增加的消耗量做前饋信號，控制方案與氧氣濃度控制類似。

2.2 流量跟蹤差報警控制

為防止循環氣中氧氣濃度過高，為氧氣進料流量與循環氣流量設置了跟蹤差報警系統，該系統具有報警設定值僅按一個方向變化的特點。氧氣進料流量設上限跟蹤差報警，報警設定點只能下降不可上升，以達到不允許氧流量大量增加的目的。

氧氣流量跟蹤差報警設定點與工藝變量的關系如圖4所示。如果氧氣流量下降，其報警設定值等于實際流量乘以大于1的固定系數(如115%)而且不可超過原最高值；當氧氣流量上升時, 其報警設定值保持在原值不變(除非按下復位按鈕)。如果按下氧氣跟蹤差報警系統的復位按鈕，可將報警設定點重新設置為實際流量的115%，當復位按鈕被釋放時，報警點設置完成。如果實際流量上升到報警點，將觸發報警并聯鎖停車[3]。

圖4 氧氣流量跟蹤差報警設定點

與氧氣流量跟蹤差報警相反，循環氣流量設下限跟蹤差報警，其目的是不允許循環氣流量大量降低，以保證氧氣濃度不超限。

2.3 循環氣的壓力調節

循環氣在反應器中的停留時間通過循環氣壓力來調節，而循環氣壓力通過致穩氣甲烷的流量來調節。在圖1中，甲烷的濃度AC15D與循環氣壓力PC18都是通過與甲烷流量調節構成串級控制來實現的。甲烷流量有兩個流路可選擇，即甲烷去回收壓縮機流量FC34與甲烷壓縮機出口流量FC15。DCS設選擇開關FSS18，選擇AC15D、PC18的其中之一作為主回路；再選擇FC34、FC15其中之一作為副回路，或FC34、FC15都作為副回路同時調節，沒被選擇的副回路作為手操調節。循環氣壓力與甲烷濃度調節的控制框圖如圖5所示。

圖5 循環氣壓力與甲烷濃度調節的控制框圖

該控制方案中的主回路AC15D與PC18也使用采樣控制器，因FC34與FC15的特性不同，當它們分別作為副回路時，主回路的控制參數和采樣參數也不一樣，因此主回路AC15D與PC18必須至少預先儲存3套控制參數和采樣參數，分別對應3種副回路的切換方案，以便回路切換時自動調出。

3 反應器汽包壓力控制

EO反應溫度是影響反應選擇性和轉化率的主要因素。EO氧化反應在反應溫度很低時，反應產物幾乎全是EO，但反應速率很慢，轉化率很低。隨著溫度升高，轉化率增加，選擇性下降，在溫度超過300℃時，產物幾乎全是二氧化碳和水。此外，EO反應溫度過高還會導致催化劑的使用壽命下降。權衡轉化率和選擇性之間的關系，以求達到EO的最高收率，工業上一般選擇反應溫度在220～260℃[8]。EO反應屬放熱反應，其反應熱被管外鍋爐水所吸收，通過控制反應器汽包壓力來控制鍋爐水溫，進而由鍋爐水溫來控制反應器的反應溫度。此外，汽包壓力控制還需考慮反應初期至末期汽包壓力的變化，通過汽包壓力控制使壓縮機透平蒸汽壓力趨于穩定[9]。

反應器汽包壓力控制流程如圖6所示，反應器汽包壓力由兩個閥門協調控制，大口徑調節閥HV11進行粗調，小口徑調節閥PV11由壓力調節回路進行細調。對于大量程的蒸汽流量，小口徑調節閥PV11的調節能力有限，需要投入大口徑調節閥HV11配合。調節器HC11并非PID調節，而是根據調節閥PV11是否會失去調節能力來判斷其輸出的變化。

圖6 反應器汽包壓力控制流程

PV11與HV11的協調關系如圖7所示。如果汽包壓力降低，PV11關小。如果PV11在N秒內持續在20%以下，這時減小大閥HV11的開度，以免PV11繼續關小而全關。當HV11關小到某個值后，汽包壓力將隨之上升，PV11在調節器PC11的作用下回到20%～80%，此時HV11保持不變；反之，如果汽包壓力升高，PV11在N秒內一直在80%以上，此時HV11自動開大，使PV11回到20%～80%。HV11變化的開度可用公式ΔHV11=(PV11-50%)×C3計算得出。需要說明的是調節周期N與系數C3需要在回路調試時調整。

圖7 PV11與HV11的協調關系

通過HV11與PV11兩個口徑不同的調節閥的協調動作，可對較大量程的蒸汽流量進行精確控制，從而使反應器汽包壓力穩定，進而穩定反應器的溫度。

4 結束語

在EOEG 裝置的EO反應系統中，利用采樣控制、跟蹤差報警控制、主回路和多個副回路結合選擇串級控制與不同口徑調節閥的協調控制等方案，有效解決了氧氣和乙烯濃度控制滯后、氧氣濃度安全問題、循環氣壓力控制及反應器汽包壓力穩定等控制問題。通過該控制方案再配合相應的停車聯鎖方案，將最終實現EOEG 裝置核心部分EO反應系統的安全、穩定和高效運行。

[1] 張翔宇.環氧乙烷/乙二醇工藝技術比較[J].化工設計,2006,16(3):7～12.

[2] 戴忻,劉定華,劉曉勤,等.環氧乙烷的吸收與催化水合法制乙二醇[J].石油化工,2004,33(4):316～319.

[3] 張揚.EO/EG裝置OMS安全聯鎖系統中關鍵閥門的控制方案[J].化工自動化及儀表,2015,42(2):228～230,233.

[4] 錢耀紅,李亞楠.在線分析小屋系統在EO裝置中的應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(7):910～916.

[5] 孫帆,錢鋒.乙二醇生產過程中環氧乙烷濃度的軟測量研究[J].計算機與應用化學,2010,27(1):6～15.

[6] 線引林,虞愛如,富宜華.空氣中環氧乙烷的氣相色譜分析和配氣方法探討[J].衛生研究,1980,(4):64～70.

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[8] 尹成強,張雷鳴,高潔.環氧乙烷反應器子系統的改進控制研究[J].化工自動化及儀表,2010,37(6):29～31.

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