丙烯酸反應器爆炸曲線計算及其DCS實現

何家輝 谷 健 陳卓珺

(中國石油蘭州石化公司電儀事業部，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工程設計有限責任公司(CPE)東北分公司開發編制的具有自主知識產權的工藝包，即采用先進可靠的丙烯氣相兩步氧化法技術生產丙烯酸和連續酯化法技術生產丙烯酸甲/乙酯。

整個裝置的關鍵設備為兩臺丙烯氧化反應器，其自動控制也是整個控制系統的關鍵所在。丙烯與空氣、惰性氣體(由蒸汽和循環氣組成)混合后會形成爆炸氣。一旦操作點進入爆炸區域，則整個裝置都有爆炸的危險，所以氧化反應操作在正常的區域是控制的關鍵。

1 工藝流程概述①

新鮮空氣經空氣過濾器除塵和空氣壓縮機壓縮后分為兩路(圖1)[1]，一路去第一反應器R-1101的預混合器M-1101，另一路進入第二反應器R-1102的進料混合器M-1103。壓縮空氣、來自管網的蒸汽和循環氣在預混合器M-1101中混合后進入第一氧化反應器R-1101的進料混合器M-1102。與過熱后的丙烯在進料混合器M-1102中混合后進入第一氧化反應器R-1101。混合后氣體的摩爾比為：丙烯︰氧氣︰水蒸氣︰循環氣=1.0︰1.7︰1.0︰2.4，其中，循環氣中不包括丙烯、空氣和水。

圖1 工藝流程示意圖

第一氧化反應器R-1101是固定床列管式反應器，列管內裝填有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物。R-1102是列管式固定床反應器，列管內裝填有Mo-V系催化劑，原料氣體在催化作用下生成丙烯酸等產物。R-1101急冷段出口氣體、水、氮氣、丙烯醛與由K-1001 送來的空氣在M-1103中充分混合后進入R-1102，在R-1102 中丙烯醛進一步氧化生成丙烯酸。M-1103 中的混合氣體，氧氣與第一反應器加入的丙烯的摩爾比為0.5∶1.0，混合氣的溫度為230℃。

2 丙烯酸操作區域計算的描述

2.1 操作區域描述

氧化反應操作在正常區域是控制的關鍵，反應器存在兩個爆炸區域(圖2)：一個是由混合器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算的爆炸區；另一個由第一氧化反應器爆炸上限FNYR1、爆炸下限FNYR2和爆炸端線FNXR封閉組成的1#反應器條件計算的爆炸區[2]。

圖2 丙烯氧化操作區域

反應的操作點必須位于兩個爆炸區域以外?？紤]到儀表設備的誤差，操作點有可能擴展到誤差區域，如果此誤差區域與爆炸區域相接觸，則必須由ESD停止氧化反應。在正常生產操作中，催化劑的選擇和保護很重要。需要對催化劑進行欠空氣和防止接觸液態水的保護。如果操作點的誤差區域與催化劑欠空氣保護線FNYR3區域相接觸，則必須由ESD邏輯停止氧化反應[2]，操作點必須位于FNYR3區域以下。若進氣條件接近露點TD，則催化劑存在被水浸濕而損壞的危險，必須啟動ESD邏輯停止氧化反應器系統。

2.2 爆炸區域的構成和計算

第一氧化反應器爆炸上限FNYR1=[-A×(xINT/100)+B×(THTS-C)+D+E×PRIK]×100，第一氧化反應器爆炸下限FNYR2={I×(xINT/100)+J×[1-K×(THTS-C)]}×100，第一氧化反應器爆炸端線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，催化劑欠空氣保護線FNYR3=[-L×(xINT/100)+M]×100，催化劑防潮保護，水分壓PH2O=[(FMPS+FRG×0.206045+FAW)/FTOTAL]×(PRI+PS)，露點TD=O+P×PH2O+Q×PH2O2+R/PH2O，當M-1102出口溫度低于介質露點(即TM-TD≤0)時，ESD系統聯鎖停車。其中，A～M為常數，根據工況由設計院給定；THTS為HTS溫度；PRIK為反應器頂部壓力，單位換算kPa→kgf/cm2，PRIK=PRI×0.010197kgf/cm2；PRI為反應器R-1101頂部壓力；TM為M-1102出口溫度；FMPS為補償后的蒸汽流量；FRG為循環氣補償后流量；FAW為第一反應器空氣帶水量；PS為當地大氣壓；TS為絕對零度；O～R都為露點計算常數，由設計院給定。

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(由蒸汽和循環氣組成)摩爾濃度(單位mol%)xINT=100-xPP-xAIR。其中，FP為丙烯流量；FA為空氣流量；FC3為循環氣中的丙烯流量；AOXG為循環氣氧氣含量。

2.3 儀表精度對操作點和誤差區的影響

氧化反應的操作點為(xPP，xINT)，因儀表在實際測量過程中有測量誤差(帶正負)存在，可能會造成操作點偏離。分別考慮丙烯流量、空氣流量、空氣濕度、蒸汽流量、循環氣流量、循環氣氧氣含量測量精度(帶正負)，由xPP=[(FP+FC3)/FTOTAL]×100 ，xINT= 100-xPP-xAIR可計算出偏差最大的6個端點(J1、J2、K1、K2、M1、M2)，由此6個點組成一個六邊形區域，即為操作點最大可能偏離的區域(圖2)。

3 防爆炸曲線、誤差工作區域和操作點的DCS實現

3.1 建立靜態坐標

根據裝置工況給定數據xINT的范圍為20～65，xPP的范圍為0～11，制作出橫坐標為20%～65%、縱坐標為0%～11%的靜態坐標，根據屏幕布局，對應屏幕上橫坐標20～65、縱坐標38～5。

3.2 爆炸曲線的確定

3.2.1第一反應器爆炸曲線確定

根據第一氧化反應器爆炸端線方程，代入數據得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1024+0.248]×100，設置變量xINT-END-R=FNXR、xINT1=xINT-END-R。

計算第一氧化反應器爆炸上限，先確定其爆炸上限起始點坐標，根據第一氧化反應器的爆炸上限方程，代入變量得FNYR1=[-0.235×(xINT/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，因為靜態坐標系起始點x的坐標為20，設置變量xINT0=20，則第一氧化反應器爆炸上限起始點的x坐標為20，y坐標FNYR1-0=[-0.235×(xINT0/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則第一氧化反應器爆炸上限的起始點為(xINT0，FNYR1-0)；接著確定第一氧化反應器爆炸上限終點坐標，第一氧化反應器爆炸上限的終點為與第一氧化反應器爆炸端線的交點，即FNYR1-1=[-0.235×(xINT-END-R/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，則第一氧化反應器爆炸上限的終點為(xINT1，FNYR1-1)。

計算第一氧化反應器爆炸下限，先確定其爆炸下限起始點的坐標，根據第一氧化反應器爆炸下限方程，代入變量得FNYR2={0.02×(xINT/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，因為靜態坐標系起始點x的坐標為20，所以設置變量xINT0=20，則第一氧化反應器爆炸下限的起始點x的坐標為20，y坐標FNYR2-0={0.02×(xINT0/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，則第一氧化反應器爆炸下限的起始點為(xINT0，FNYR2-0)；接著確定第一氧化反應器爆炸下限終點坐標，第一氧化反應器爆炸下限的終點為與第一氧化反應器爆炸端線的交點，即FNYR2-1={0.02×(xINT1/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，則第一氧化反應器爆炸下限的終點為(xINT1，FNYR2-1)。

計算第一氧化反應器爆炸端線，首先確定爆炸端線起始點坐標，爆炸端線與第一氧化反應器爆炸上限的交點即為爆炸端線的起始點坐標，則第一氧化反應器爆炸端線的起始點為(xINT1，FNYR1-1)；接著確定爆炸端線起始點坐標，爆炸端線與第一氧化反應器爆炸下限的交點即為爆炸端線的終點坐標，則第一氧化反應器爆炸端線的終點為(xINT1，FNYR2-1)。

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

3.2.2混合器M-1102爆炸曲線確定

根據混合器M-1102爆炸端線方程，代入數據得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1011+0.248]×100，設置變量xINT-END-M=FNXR、xINT2=xINT-END-M。

計算M-1102爆炸上限，首先確定其爆炸上限起始點坐標，根據混合器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爆炸上限的起始點為(xINT0，FNYM1-0)；接著確定混合器M-1102爆炸上限終點坐標，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爆炸上限的終點為(xINT2，FNYM1-1)。

計算M-1102爆炸下限，首先確定其爆炸下限起始點坐標，根據混合器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爆炸下限的起始點為(xINT0，FNYM2-0)；接著確定混合器M-1102爆炸下限終點坐標，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下限的終端點為(xINT2，FNYM2-1)。

計算混合器M-1102爆炸端線，首先確定混合器M-1102爆炸端線起始點，爆炸端線與混合器M-1102爆炸上限的交點即為爆炸端線的起始點，則混合器M-1102爆炸端線起始點為(xINT2，FNYM1-1)；接著確定混合器M-1102爆炸端線終點，爆炸端線與第一氧化反應器爆炸下限的交點即為爆炸端線的終點，則混合器M-1102爆炸端線終點為(xINT2，FNYM2-1)。

3.2.3欠空氣催化劑保護線確定

先確定欠空氣催化劑保護線起始點坐標，根據欠空氣催化劑保護線方程，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坐標FNYR3-0=[-0.1419×(xINT0/100)+0.1336]×100，則欠空氣催化劑保護線起始端點為(xINT0，FNYR3-0)；接著確定欠空氣催化劑保護線終點坐標，根據設計院所給數據將終點橫坐標設為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線終端點為(xINT17，FNYR3-17)。

4 結束語

丙烯氧化生產丙烯酸的技術已經比較成熟，但在實際生產中，一般都根據防爆炸曲線方程組設計ESD聯鎖停車程序，很少用此方程組設計DCS操作畫面，導致不能有效、直觀地指導操作人員及時調整操作，進而使裝置停車。筆者闡述的反應器操作區域的計算方法和DCS曲線制作已實際應用于中國石油蘭州石化丙烯酸裝置中，運行效果良好，指導操作及時。以上所述內容可以為其他類似問題提供借鑒。

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

[2] 孫旭.丙烯酸反應器操作區域的計算[J].石油化工自動化，2010，46(5)：11～13，19.