孫 旭

(中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院自控室,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,其自動控制也是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,反應(yīng)器操作區(qū)域的計算更是關(guān)鍵。兩步法氧化制取丙烯酸需兩臺反應(yīng)器,而第一臺反應(yīng)器是核心,該文以丙烯酸第一臺氧化反應(yīng)器為例來闡述操作區(qū)域的計算。

1 工藝流程簡述

液態(tài)丙烯進入丙烯蒸發(fā)器進行汽化,再經(jīng)丙烯過熱器微過熱。經(jīng)空氣壓縮機壓縮后空氣進入進料混合器與過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)器存在兩個爆炸區(qū)域。一個是由 FR1,FR2和FR封閉組成的反應(yīng)器條件計算的區(qū)域;另一個是混合器條件計算形成的區(qū)域,由 FM1,FM2和FM封閉組成。反應(yīng)的操作點必須位于兩個爆炸區(qū)域以外?？紤]到儀表設(shè)備的誤差,操作點有可能擴展到誤差區(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)操作過程中,催化劑的選擇和保護很關(guān)鍵。需要對催化劑進行欠空氣以及防止接觸液態(tài)水的保護。如果操作點的誤差區(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)都需要重點監(jiān)控[4]。

2.1 操作點(XPP,XINT)的確定

操作點(XPP,XINT)的確定主要是計算出丙烯和惰性氣體的摩爾百分數(shù)。進入反應(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,決定了流量測量與溫度、壓力等參數(shù)都有關(guān),需要對介質(zhì)的流量進行相應(yīng)的補償[5]。

丙烯摩爾流量補償qp的計算公式:

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)計壓力;tPPB——丙烯的設(shè)計溫度; ZPPB——丙烯壓縮因數(shù);pS——現(xiàn)場表壓;A1,B1, C1——常數(shù)。

空氣摩爾流量補償qA的計算公式:

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)計壓力;tAirB——空氣的設(shè)計溫度;AHA——空氣濕度。

空氣中水的摩爾流量qAW的計算公式:

式中 MWT——空氣中水的摩爾質(zhì)量。

蒸汽摩爾流量補償qS的計算公式:

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)計壓力;tMPB——蒸汽的設(shè)計溫度;ZMPB——蒸汽壓縮因數(shù);A2,B2,C2——常數(shù)。

循環(huán)氣摩爾流量補償qG的計算公式:

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)計壓力;tRGB——循環(huán)氣的設(shè)計溫度。

總的摩爾流量qTOTAL:

丙烯的摩爾百分數(shù) XPP:

空氣的摩爾百分數(shù) XAir:

式中 ARG——循環(huán)氣氧含量。

惰性氣體的摩爾百分數(shù) XINT:

2.2 爆炸區(qū)域的計算

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撤走,同時壓力發(fā)生變化。預(yù)熱和反應(yīng)熱的撤走由 HTS來實現(xiàn),因此 HTS的溫度和反應(yīng)器頂部的壓力也是需要檢測的關(guān)鍵參數(shù)。丙烯酸反應(yīng)器存在兩個爆炸區(qū)域,下面分別對由反應(yīng)器條件計算和混合器條件計算形成的爆炸區(qū)域進行闡述。

2.2.1 反應(yīng)器條件區(qū)域

反應(yīng)器條件計算所形成的爆炸區(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。具體的計算公式:

2.2.2 混合器條件區(qū)域

混合器條件計算形成的爆炸區(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。具體的計算公式:

式中 tMix——混合器M-102出口溫度。

2.3 催化劑保護區(qū)域的計算

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

式中 L,M——常數(shù)。

2.4 誤差區(qū)域

任何一種測量儀表都存在測量精度,也就是存在誤差[7]。為了更精確確定操作點,應(yīng)考慮到儀表設(shè)備的滿量程誤差。由于選定的測量儀表設(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)實際情況來確定誤差區(qū)域。

3 結(jié)束語

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)域的計算方法已實際應(yīng)用于裝置中,運行效果良好。但由于采用的專利技術(shù)和儀表設(shè)備的不同,計算方法會略有差異,建設(shè)單位需要根據(jù)生產(chǎn)操作的情況進行相應(yīng)調(diào)整,改進運算公式,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].石油化工自動化, 2009,45(1):27-30.

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

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

[5] 顧樹生,王建輝.自動控制原理[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.自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.