多區循環反應器的復雜控制與應用

夏長松

(中國石油大慶煉化公司機電儀廠，黑龍江 大慶 163411)

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂。潘寶霞和賈朝陽以年產20kt聚丙烯裝置為例，介紹了聚烯烴后處理的關鍵設備擠壓造粒裝置的上游配料及計量加料系統、PID控制方案以及關鍵設備的選型[1]。楊海青等對聚丙烯粉末加熱器熱軸的泄漏原因做了分析，并對其進行了改造，取得了良好的效果[2]。

Basell公司開發的多區循環反應器(MZCR)技術，即Spherizone工藝，采用氣相循環技術。其特點是不同的區域具有不同的工藝條件，即不同的反應溫度、氫氣和單體濃度，能起到由其他工藝中多個氣相和環管反應器所起的作用。在一個多區循環反應器中可以制備雙峰聚丙烯樹脂，同時可以獲得高度均一的多單體樹脂或雙峰均聚物。多區循環反應器是Spherizone聚丙烯工藝的核心，反應器的精確控制和平穩運行是裝置長周期運行的保證。筆者以Spherizone工藝在中國石油大慶煉化公司二期30萬t聚丙烯裝置中的實際為例，介紹多區循環反應器技術中的反應器壓力控制和汽提塔流量前饋串級控制方案，以及在DCS中的實現方法。

1 多區循環反應器的復雜控制①

多區循環反應器的復雜控制包括丙烯、氫氣和乙烯的進料控制，反應器的壓力、溫度和料位控制，汽提塔的控制，以及反應器出料線的切換控制等。反應器復雜控制的最終目的是保證反應器內物料的平衡，其中影響反應器物料平衡的因素有：原料丙烯流量、回收丙烯流量和聚合物產量[3]。原料丙烯流量由反應器壓力三沖量控制實現，回收丙烯流量的穩定由汽提塔流量前饋串級控制實現。

1.1 反應器壓力三沖量控制

反應器壓力的變化是液相丙烯進入反應器后，由溫度升高、液體汽化、體積迅速膨脹引起的，因此反應器壓力控制的實質就是控制反應器內氣相丙烯的含量。影響反應器內氣相丙烯含量的因素：一是氣相丙烯的消耗量，即聚合物產量；二是汽提塔液化的氣態丙烯量。反應器壓力控制可以看作是一個三沖量控制(圖1)，反應器內丙烯含量是被控變量，即主沖量信號；聚合物產量和汽提塔液化丙烯量是兩個輔助沖量信號。但實質上三沖量控制系統是前饋加反饋控制系統，聚合物產量和汽提塔液化丙烯量是前饋信號，最終通過丙烯進料流量控制回路調節反應器內的丙烯含量，實現反應器壓力的控制。前饋-反饋壓力控制系統如圖2所示。

圖1 反應器壓力三沖量控制框圖

圖2 前饋-反饋壓力控制系統框圖

1.2 汽提塔流量前饋串級控制

如圖3所示，汽提塔由氫氣和乙烯兩個汽提塔組成，主要功能是回收丙烯、乙烯和氫氣。其中氫氣汽提塔頂部的換熱器用來液化從反應器來的氣相丙烯，液化后的丙烯作為回收丙烯與乙烯和氫氣一同返回反應器。丙烯液化是由氣相變為液相的過程，回收丙烯注回反應器是由液相到氣相的過程，如果這兩個過程中的丙烯量相等，氫氣汽提塔液位保持不變，則反應器的壓力穩定；反之，汽提塔的液位波動會造成反應器壓力的波動。為了消除氫氣汽提塔液位的偏差，設置了汽提塔流量控制回路，如圖4所示。

圖3 回收丙烯流程簡圖

圖4 汽提塔流量控制框圖

造成汽提塔液位波動的原因是乙烯汽提塔液位的波動，因為乙烯汽提塔液位波動會通過其液位流量串級控制回路傳遞給氫氣汽提塔。氫氣汽提塔液位的波動則會通過其液位和流量串級均勻控制回路，引起去反應器丙烯流量的變化。

汽提塔流量控制回路將反應器內的丙烯流量偏差通過熱量平衡方程轉換成熱量，控制換熱器熱量控制副回路以改變液化丙烯量，恢復氫氣汽提塔液位偏差。前饋控制用以克服氫氣汽提塔進料量變化，將其作為前向通道來消除干擾。測量氫氣汽提塔進料量最終還是要轉化為液化丙烯所需撤走的熱量，直接作用于熱量控制回路。

2 復雜控制在DCS中的實現

中國石油大慶煉化公司二期聚丙烯采用的是CS3000，該系統支持功能塊圖、順控圖、順控表和邏輯圖，同時有高級語言編寫功能，組態方便[4]。下面給出反應器壓力控制和汽提塔控制在CS3000中的實現方法。

2.1 反應器壓力控制

反應器內的氣相丙烯量是用理想氣體狀態方程計算得到的(將所測的反應器壓力和溫度值代入理想氣體狀態方程，求得丙烯摩爾的量，再乘以丙烯分子量)，將此值與反應器壓力和溫度設定值與計算出的丙烯含量進行比較，得到偏差(即控制回路中的偏差信號)。反應器壓力控制如圖5所示。

圖5 反應器壓力控制框圖

通過汽提塔內液位的偏差可以計算出汽提塔中氣相丙烯含量的偏差。反應消耗的丙烯，即聚合物產量，可以通過物料平衡計算得到；為了保證參數的平穩，聚合物產量必須取其30min內的移動平均值。由于反應器內丙烯含量和汽提塔中氣相丙烯含量的單位是質量，所以要除以一個時間常數，將單位轉換為統一的質量流量。最終的原料丙烯流量設定值為以上3個流量之和。時間常數默認為9min，即過渡期間為9min，以獲得一個漸進的和穩定的過渡過程。

反應器壓力控制是在CS3000中用SFC功能塊，以Sebol語言編寫程序實現的，該程序每10s被執行一次。具體代碼如下：

START:

*計算丙烯的需求，去補償反應器壓力

%.C3MS_SV=(PIC2308.SV+1)*V/z/R/(TIC2311.SV+273.16)*42.1!kg

%.C3MS_PV=(PIC2308.PV+1)*V/z/R/(TIC2311.PV+273.16)*42.1!kg

%.C3_OS=(%.C3MS_SV-%.C3MS_PV)*60/%.TSS!kg/h

*計算丙烯在氫氣汽提塔中的量

%.T_SET_MS=(LIC2401.SV/100)*MR*410*pi*2.5*2.5/4.0!kg

%.T_PV_MS=(LIC2401.PV/100)*MR*410*pi*2.5*2.5/4.0!kg

%.C3_T241=(%.T_SET_MS-%.T_PV_MS)*60/%.TSS!kg/h

*計算丙烯消耗

%.C3FEED=FI3105.PV-FI5101.PV+FIC2101.PV+FIC2103.PV+FIC2109.PV+FIC2201.PV+FIC2202.PV

%.C3PURGE=FIC2402.PV+FIC3201.PV+FIC2414.PV+FIC2424.PV

%.GASBILPV=%.C3FEED-%.C3PURGE

%.C3FSS_PV=PRODR230_M.CPV*1000-%.GASBILPV

*計算2FIC2203的設定值

%.F2203SV=%.C3FSS_PV+%.C3_OS+%.C3_T241

IF(%.F2203SV<=60000.0 AND %.F2203SV>=0.0)THEN F2203SET.SV=%.F2203SV

END IF

delay 10000!延時10s執行

GOTO START

2.2 汽提塔控制

丙烯進料量是氫氣汽提塔的干擾通道，在實際應用中，汽提塔入口丙烯流量是各分支丙烯量之和，根據生產單峰、雙峰樹脂的不同分為兩種流量計算方法，用選擇開關切換。圖6是在CS3000中用功能塊搭建的汽提塔流量控制回路，可以看出：換熱器的熱量控制器設定值是前饋和反饋之和。

丙烯流量乘以丙烯汽化潛熱，即丙烯液化所需熱量。氫氣汽提塔塔頂換熱器實際撤走熱量可

圖6 汽提塔流量控制回路框圖

以通過比熱容公式Q=cmΔt計算。如果熱量控制器的設定值和測量值相等即吸熱等于放熱(ΔQ吸=KΔQ放)，則擴展后的公式為cm水ΔT水=Kλm丙烯，將其左右同時除以時間即得到cF水·ΔT水=KλF丙烯。其中c為水的比熱容；F水是夾套水流量；F丙烯是冷凝的丙烯流量；m為質量；λ為操作壓力下丙烯的汽化潛熱；K為常數；ΔT水是換熱器出入口夾套水的溫差。

實際應用中夾套水流量調節閥是氣關閥，所以流量控制器和熱量控制器均為反作用。

3 結束語

中國石油大慶煉化公司二期30萬t/a聚丙烯裝置是國內引進的第二套Spherizone工藝聚丙烯裝置。通過對該裝置引進技術的消化與吸收，裝置開工以來，多區循環反應器運行平穩，控制效果良好。同時也驗證了反應器復雜控制的正確性和可靠性。

[1] 潘寶霞,賈朝陽.20kt/a聚丙烯擠壓造粒裝置配料系統的設計[J].化工機械,2011,38(1):46～48.

[2] 楊海青,王瑞,趙旭,等.聚丙烯粉末加熱器熱軸的結構改進[J].化工機械,2010,37(5):652～656.

[3] 吳鋼良，田洲，王嘉駿，等.多區循環反應器中丙烯氣相聚合的模擬分析[J].化學工程，2011，39(6):79～83.

[4] 翁維勤，孫洪程.過程控制系統及工程[M].北京:化學工業出版社，2009:169～171.