乙烯裝置碳二加氫反應器飛溫案例分析及對策

黃國金，史建波，張恒珍

(中國石油化工股份有限公司 茂名分公司,廣東 茂名 525000)

某公司乙烯2號裂解裝置采用中國石化與魯姆斯公司(LUMMUS)合作開發的乙烯專利技術，在分離系統采用前脫丙烷前加氫技術，在生產操作過程中，碳二加氫系統的穩定運行及操作對下游乙烯產品質量和收率有著重要的作用，控制碳二加氫反應器穩定性是整個乙烯裝置平穩運行的關鍵，一旦反應器發生飛溫或漏炔，分離系統將被迫停止進料，大量物料排放火炬，造成巨大的經濟損失。因此，本文針對該裂解裝置碳二加氫反應器曾出現過的飛溫案例進行剖析，從飛溫因素、飛溫機理、飛溫處理、以及如何避免飛溫等多維度進行分析，對工業生產和其他同類裝置具有一定的指導和借鑒意義。

1 碳二加氫工藝流程簡述

高壓脫丙烷塔TB-401塔頂氣相分別經過碳二加氫反應器進出料換熱器EB-402、EB-414、低壓蒸汽加熱器EB-403加熱后，進入碳二加氫反應器RB-401A～D脫除炔烴。從反應器出來的裂解氣經過EB-414冷卻,在第二干燥器VB-420中除去少量水分。經EB-402，乙烯精餾塔中間再沸器EB-413冷卻、冷凝器EB-409冷凝后，再在高壓脫丙烷塔回流罐VB-401進行氣液分離，含有C3的液相部分作為回流液返回TB-401頂部，氣相進入冷箱EB-490DX，碳二加氫系統流程如圖1所示。

碳二加氫反應系統由4個相同的炔烴反應器串聯組成，正常生產時三段運行，一段備用。碳二加氫反應是在不與外界發生熱交換的絕熱反應，每個反應器出料均設置冷卻器，利用循環冷卻水冷卻。催化劑的活性使用進料溫度控制，碳二加氫反應器設計將最新的催化劑床層放到末端位置，各床層都設計了催化劑裝載和卸載的位置，催化劑裝填量為26.7 m3，碳二加氫系統入口和出口都設有在線分析儀表監測CO和C2H2的體積分數。反應器入口溫度控制器分程控制冷卻器冷料及其旁路熱料兩股物料的流量，進而調節反應器入口溫度，每個反應器還設有出、入口溫差監測表，可以反映反應器內發生反應的程度。

2 飛溫案例分析

2.1 出口聯鎖閥故障關閉引起反應器飛溫

2018年碳二加氫反應器因出口聯鎖閥(UV-24004) 故障關閉，導致反應器第三段出口溫度高高觸發聯鎖，前冷氣相進料控制閥聯鎖關閉，后系統進料中斷。

2.1.1 飛溫原因分析

針對該次反應器飛溫的原因有著較大的爭議，主要有兩種不同意見： 一是系統憋壓，反應器內物料停留時間過長導致飛溫；二是C4組分進入碳二加氫系統引起飛溫。筆者將從以下幾方面進行分析：

1)反應器床層溫度分析。從DCS歷史數據記錄來看，碳二加氫系統三個反應段出口溫度的峰值出現明顯的錯峰，溫度變化趨勢如圖2所示。一段出口溫度首先達到峰值102.0 ℃，8 min后二段出口溫度達到峰值175.7 ℃，再過6 min后三段出口溫度突然飛升到峰值268.7 ℃，從反應器出口溫度曲線趨勢可以看出，一段、二段出口溫度快速升高時，三段出口溫度趨勢還是很平直的，如果碳二加氫反應器是因為憋壓物料停留時間過長引起，那么三個反應段的出口溫度曲線趨勢應該同步升高。由此看出，該反應器飛溫原因不是憋壓導致物料停留時間過長引起。

圖1 乙烯2號裂解裝置碳二加氫系統流程示意

圖2 反應器三段出口溫度變化趨勢示意

2)高壓脫丙烷塔頂溫分析。TB-401塔頂溫在4 min內從-8 ℃升至0，此時該塔頂C4組分已經嚴重超標。查看回流泵PB-401出口的回流量，僅僅3 min內由正常的48 t/h降至為0，而VB-401罐液位顯示一直大于50%。即使在備泵自啟動雙泵運行回流量仍然為0，且在之后的近30 min內回流量仍然為0。

3)化學反應分析。王飛[1]等人介紹了乙烯、乙炔加氫反應動力學方程主要與氫氣分壓有關，反應速率與乙烯、乙炔分壓沒有太大關系，因此可以從化學反應的角度考慮。即使反應器總進料量為零的極限情況下，反應器床層無物料流通，那么反應器里的氫氣總量是有限的，反應器里乙炔消耗完、部分乙烯繼續發生加氫反應，至氫氣消耗完所放出熱量也是有限的。而當氫氣消耗完后，所有反應即自行終止，此時再無熱量放出，不可能發生飛溫。根據該次飛溫現象分析反應器總進料量波動趨勢，其質量流量最低值為150.26 t/h，達到運行負荷的70%以上，且持續時間僅為2～4 min，從空速低、物料停留時間過長這一因素，可以排除該反應器飛溫原因不是因憋壓物料停留時間長引起的。

4)反應器出口聯鎖閥前后壓力分析。UV-24004閥關閉后，TB-401塔頂壓力從2.18 MPa升高至2.66 MPa，為避免裂解氣壓縮機出口超壓，操作人員將碳二加氫第三段反應器出口壓控閥保持一定開度，使整個碳二加氫系統具有一定流通能力。UV-24004閥后壓力從2.00 MPa降至1.00 MPa，VB-401罐頂壓力從1.93 MPa降至0.99 MPa，PB-401泵出口壓力隨之降至1.80 MPa TB-401塔頂和PB-401泵出口壓差巨大，導致無法正常輸送回流液到達塔頂，回流中斷導致塔內大量C4組分從塔頂輸出并進入碳二加氫反應器中，最終導致反應器飛溫。

2.1.2 避免飛溫措施

操作人員在遇到反應器飛溫情況時，首先是檢查流程，在最短的時間里查找出故障閥門，并通過DCS查看各閥門顏色有無變紅或黃，根據閥門前后差壓大小，判斷出故障閥門后，立即通知操作人員到現場手動打開故障閥門，中心控制室管理人員及時通知前后崗位做好應急操作。針對該次反應器出口UV-24004 閥故障全關，飛溫聯鎖事件，反復研究，認為正確的處理思路和措施有以下幾點：

1)出口壓控閥保持關閉。通過裂解氣壓縮機四段出口壓力控制閥控制壓縮機出口壓力。如果手動打開該反應器第三段出口閥排放火炬，閥門開度越大，開的越早，發生飛溫聯鎖的概率越大，反應器流通量越大，即從TB-401塔頂進入該反應器的物料越多，且含有大量的C4組分，物料全部流向火炬系統，有可能導致裂解氣壓縮機轉速失控。

2)壓縮機防喘振閥保持關閉。裂解氣經VB-420干燥后返壓縮四段吸入罐VB-306的“五返四”防喘振閥FV-24061剛打開時，UV-24004閥后物料會優先返回VB-306罐， TB-401塔頂回流更難，影響塔頂溫恢復時間。另外，當VB-401罐壓力降至0.9 MPa后，VB-306罐物料會進入0.6 MPa的前冷低壓系統，導致重組分污染前冷系統。

3)控制閥應及時手動關小。UV-24004閥故障關閉后，前冷系統進料中斷，故應及時關小前冷進料控制閥，先建立VB-401罐壓力， TB-401塔頂回流才能建立。

4)各段入口溫度控制器全關。日常生產中，若該反應器發生溫度波動的概率較大，因控制閥故障、儀表假信號等因素，而在處理過程中如果原因判斷不夠準確、及時，反應器很可能就發生飛溫。因此，在故障處理中必須力保床層溫度不發生高高聯鎖而非保證出口C2H2氣體含量不超標，應果斷快速對反應器系統進行降溫處理。

如果不能及時準確判斷出原因，操作員應快速動作將各段入口溫度控制閥全關，即各段段間冷卻器處于最大冷卻狀態。

2.2 入口溫度異常升高引起反應器飛溫

2021年該反應器一段入口溫度的SP值從52.1 ℃直接設定為71.0 ℃，一段入口控制閥開度同步從23.5%快速打開至70.0%，反應器二段入口溫度的SP值從52.5 ℃直接設定為70.5 ℃，二段入口控制閥開度同步從44.01%快速打開至95.01%，反應器三段入口溫度的SP值從55.0 ℃直接設定為70.5 ℃，三段入口控制閥開度同步從78.5%快速打開至95.0%。由此看出，一、二、三段入口溫度控制閥開度越大，反應器各段溫度升溫越高。當該反應器一段出口床層溫度為200 ℃時觸發高溫聯鎖，導致碳二加氫系統停車。

2.2.1 飛溫原因分析

1)DCS保護邏輯存在漏洞。DCS保護邏輯是先進過程控制(APC)與DCS之間的安全屏障，在APC投用條件全部滿足的情況下，才將APC中間值輸出到底層PID位號，確保在安全的情況下實現APC控制。該裝置投產初期時碳二加氫系統APC控制器已被激活，但未投用，DCS將反應器各段入口溫度設定值由52～55 ℃跳變到71 ℃，在APC總開關未投用情況下，模擬APC控制器激活下對分開關和APC中間值同時賦值，測試APC中間值。測試后發現APC中間值能夠穿透保護邏輯改寫DCS溫度設定值，說明該DCS保護邏輯存在漏洞，沒有判斷總開關是否處于投用狀態，導致在控制器未投用的情況下，將APC中間值對應到PID設定值。

2)新鮮催化劑活性高。2021年5月該裝置在大檢修時更換了該反應器催化劑，采用Pd/Al2O3負載，新鮮催化劑反應活性高。根據文獻[2]中乙炔、乙烯加氫反應速率方程式可知，不考慮催化劑的失活，反應速率與入口溫度上升呈指數型增長。

2.2.2 飛溫后處理

碳二加氫反應器出現“飛溫”現象后，因催化劑為新鮮催化劑，需要將反應器床層溫度降至40 ℃以下后方可開車，避免開車時床層有熱點再次發生飛溫；同時為減少大量物料排放火炬，在該反應器聯鎖后，打開前冷進料控制閥逐漸恢復前冷進料。碳二加氫反應器經過置換約6 h后降溫合格，并通過了“燜床”試驗， 對反應器進行高壓氮氣充壓至1.8～2.0 MPa時，再引入裂解氣充壓至2.2～2.3 MPa，復位進料，床層溫度沒有出現熱點現象，開車正常。

2.2.3 避免飛溫措施

1)要求DCS生產商完善DCS保護邏輯，嚴格控制回路權限管理，消除程序漏洞，保障APC正常應用。同時在APC組態過程中通知工藝人員并會簽，避免造成生產裝置DCS工藝參數誤設，引起波動。

2)設置反應器入口快速降溫線。遇到飛溫情況，操作人員還可以通過TB-401塔頂旁路調整碳二加氫整個系統的入口溫度，利用TB-401塔頂-7 ℃～10 ℃的低溫物料加快對系統的降溫工作；或者將反應器系統的EB-403可以設置為帶冷卻功能的換熱器，可通過增加技改線來設置一條降溫線。

3)增大碳二加氫系統流通量。為減少熱量繼續積累在床層形成床層熱點，加速反應失控，在確保裂解氣壓縮機穩定的情況下開大壓縮機循環量以增大碳二加氫系統空速和流通量，對反應器降溫亦有較大的幫助。

4)縮小反應器入口溫度的調整范圍。溫度是反應器的重要控制參數，在乙炔濃度一定的情況下，進料溫度若較高，催化劑床層熱點溫度也較高[4]，可能使催化劑床層溫度大幅度上升，副反應得到加速，因此在日?？刂浦袦囟缺仨毧刂圃谝欢ǚ秶鷥?，將一段入口溫度控制器輸出范圍從原來0～100%調整為0～60%，二段、三段入口溫度控制器輸出范圍從原來0～100%調整為0～80%，也可根據當前工況改變上限值，避免入口溫度異常時閥門全開導致反應器發生飛溫。

3 結束語

該系統是國內首套采用前脫丙烷前加氫技術的裝置[6]。針對出口聯鎖閥故障關閉引起反應器飛溫和入口溫度異常升高引起反應器飛溫案例，分析原因并總結，得出飛溫主要歸因于 C4 組分變化而非物料停留時間；反應器反應速率與入口溫度之間的指數增長有關。采取了及時手動關小前冷進料閥、完善DCS保護邏輯，縮小反應器入口溫度的調整范圍等措施，對今后避免反應器飛溫具有一定的指導意義和借鑒價值。