陳夢(mèng)陽(yáng)

潤(rùn)和科華催化劑（上海）有限公司 （上海 201313）

近年來(lái)，隨著乙烯裝置原料輕質(zhì)化，丙烯產(chǎn)能受限，丙烷脫氫（PDH）技術(shù)成為丙烯增產(chǎn)的新方向。投產(chǎn)的PDH 裝置大多采用LUMMUS 固定床技術(shù)或UOP 移動(dòng)床技術(shù)。流化床技術(shù)也可用于丙烷脫氫，與前兩種技術(shù)相比較，具有投資低、流程短、控制簡(jiǎn)單、能連續(xù)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，應(yīng)用前景廣闊。目前，只有Yarsintez 公司與Snamprogetti 公司共同開發(fā)的FBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流化床脫氫工業(yè)化應(yīng)用，但能耗偏高。潤(rùn)和催化劑股份有限公司對(duì)FBD 技術(shù)進(jìn)行深入研究，二次開發(fā)出的PropeNEXTTM丙烷脫氫工藝，具有能耗低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

反應(yīng)-再生系統(tǒng)是PropeNEXTTM工藝的核心，決定丙烯的產(chǎn)率及催化劑再生效果。為保證反應(yīng)-再生系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，設(shè)置性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速、調(diào)控精準(zhǔn)的控制方案是十分必要的。通過(guò)對(duì)FBD 工藝反應(yīng)-再生系統(tǒng)自控方案進(jìn)行問(wèn)題分析，在設(shè)計(jì)PropeNEXTTM工藝自控方案時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程

PropeNEXTTM反應(yīng)-再生系統(tǒng)流程與FBD 工藝基本相同，而且反應(yīng)器、再生器采用更加先進(jìn)的立管提升-斜管輸送技術(shù)。系統(tǒng)主要由反應(yīng)器、反應(yīng)氣三級(jí)旋風(fēng)分離器（反應(yīng)三旋）、丙烷進(jìn)料換熱器、取熱盤管、再生器、再生氣三級(jí)旋風(fēng)分離器（再生三旋）、進(jìn)料加熱爐、主風(fēng)機(jī)、滑閥等組成（見(jiàn)圖1）。反應(yīng)、再生是連續(xù)的過(guò)程。

圖1 PropeNEXTTM 反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程

丙烷原料在反應(yīng)器取熱盤管預(yù)熱至137 ℃后，被進(jìn)料加熱爐加熱至590 ℃送入反應(yīng)器，與高溫再生催化劑逆流接觸生成丙烯，丙烯油氣通過(guò)反應(yīng)三旋、丙烷進(jìn)料換熱器后送至急冷/水洗塔。待生催化劑表面結(jié)焦、活性不足，送再生器燒焦、再生。高溫再生催化劑通過(guò)再生斜管及再生滑閥返回反應(yīng)器循環(huán)利用。主風(fēng)機(jī)為催化劑燒焦、再生提供助燃空氣，此過(guò)程產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)再生三旋后送至廢鍋，最終排入大氣。

2 FBD 工藝反應(yīng)-再生系統(tǒng)控制方案問(wèn)題分析

FBD 工藝反應(yīng)-再生系統(tǒng)的控制圍繞著反應(yīng)器溫度、藏量，兩器壓差等變量進(jìn)行（見(jiàn)圖2）。據(jù)調(diào)研，已投產(chǎn)的12 套FBD 工藝裝置，普遍存在反應(yīng)-再生系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)回路超調(diào)幅度大、震蕩周期長(zhǎng)，能耗高等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，該工藝控制方案存在下述問(wèn)題。

圖2 FBD 反應(yīng)-再生系統(tǒng)控制方案

（1）反應(yīng)器溫度控制，操縱量選取不當(dāng)，反應(yīng)溫度超調(diào)嚴(yán)重，震蕩周期長(zhǎng)。脫氫反應(yīng)是強(qiáng)吸熱過(guò)程，反應(yīng)器溫度主要通過(guò)再生器內(nèi)的再生催化劑帶熱維持。高溫再生催化劑經(jīng)過(guò)再生管、提升立管循環(huán)至反應(yīng)器密相段，其輸送動(dòng)力來(lái)源于兩器的壓差和提升氣。由圖2 可知，該方案控制分兩部分：一是反應(yīng)器密相段溫度-提升氣流量串級(jí)控制回路，二是手動(dòng)操控再生滑閥的開度。由于催化劑循環(huán)帶熱量取決于再生滑閥的開度，當(dāng)溫度異常時(shí)，須先手動(dòng)改變滑閥開度進(jìn)行粗調(diào)，同時(shí)利用溫度-流量串級(jí)回路進(jìn)行微調(diào)。該方案對(duì)操作工的經(jīng)驗(yàn)依賴很大，須精準(zhǔn)操作再生滑閥的開度，否則會(huì)造成反應(yīng)器迅速失溫或超溫。鑒于溫度是時(shí)滯性極強(qiáng)的變量，溫度-流量串級(jí)調(diào)節(jié)回路此時(shí)基本無(wú)調(diào)節(jié)溫度的能力。隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)器密相藏量逐漸異常，此時(shí)必須改變待生滑閥的開度，以維持兩器催化劑的物料平衡。藏量與溫度相互影響，通過(guò)人工手段很難在短時(shí)間內(nèi)取得立竿見(jiàn)影的效果。人工干預(yù)多，造成調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、超調(diào)幅度大、系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致裝置停車。

（2）反應(yīng)器密相段藏量與反應(yīng)器溫度控制原理基本相同。反應(yīng)器密相段藏量也間接反映溫度特征，藏量還有料封的作用，防止兩器逆流、再生主風(fēng)竄氣引起事故。

（3）再生器、反應(yīng)器兩器壓差控制雙動(dòng)滑閥會(huì)導(dǎo)致兩器均偏離各自的壓力設(shè)定值。兩器壓差應(yīng)是裝置設(shè)計(jì)決定的，再生器、反應(yīng)器應(yīng)處在各自壓力平衡中，大幅度波動(dòng)將影響催化劑跑損和再生效果，對(duì)裝置能耗和安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。

（4）再生器密相段溫度控制采用單閉環(huán)回路，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)品質(zhì)差。溫度波動(dòng)大可能導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活或燒焦不徹底，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑損耗增加或丙烯轉(zhuǎn)化率降低。

（5）取熱盤管缺少必要的流量均勻分配控制手段。反應(yīng)器共設(shè)置4 組取熱盤管，完全對(duì)稱布置，僅依靠各分支管線自動(dòng)等量分流，對(duì)配管的對(duì)稱要求極高。在裝置實(shí)際運(yùn)行中，4 組盤管相互搶流嚴(yán)重，流量分配不均，甚至引起偏燒，損壞盤管。損壞的盤管棄用后，各取熱盤管所處的溫度場(chǎng)發(fā)生變化，致使結(jié)焦增加，嚴(yán)重時(shí)需停車處理。

3 反應(yīng)-再生系統(tǒng)控制方案優(yōu)化

流化床脫氫是一個(gè)復(fù)雜的氣固動(dòng)態(tài)過(guò)程[2]，給控制方案的制定帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)FBD 反應(yīng)-再生系統(tǒng)自控方案存在的問(wèn)題，對(duì)PropeNEXTTM工藝反應(yīng)-再生系統(tǒng)控制方案提出了技術(shù)改進(jìn)措施。

（1）反應(yīng)器溫度、藏量設(shè)定為被控變量，引入滑閥兩端壓差控制作為第二被控變量，取再生或待生滑閥的開度為操縱變量；同時(shí)，提升氣流量，采用單回路定值調(diào)節(jié)。具體方案如下：反應(yīng)器密相溫度、再生滑閥兩端壓差設(shè)置低選約束，與再生滑閥構(gòu)成溫度-差壓低選控制；反應(yīng)器密相藏量、待生滑閥兩端壓差設(shè)置低選約束，與待生滑閥構(gòu)成藏量-差壓低選控制。鑒于溫度、藏量控制原理基本相同，現(xiàn)以溫度為例進(jìn)行說(shuō)明（見(jiàn)圖3）。

圖3 溫度調(diào)節(jié)回路方案

當(dāng)再生滑閥兩端的壓差在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，該回路為溫度單閉環(huán)調(diào)節(jié)。溫度偏高，再生滑閥開度減小；溫度偏低，再生滑閥開度增大。如果反應(yīng)器溫度偏離設(shè)定值過(guò)大，使調(diào)節(jié)功能失效，則觸發(fā)溫度低報(bào)警或轉(zhuǎn)入手動(dòng)模式，需要立即采取有效的人工干預(yù)措施糾偏。若反應(yīng)溫度急劇下降，則觸發(fā)三取二溫度低低聯(lián)鎖，迅速切斷反應(yīng)-再生系統(tǒng)，以保障裝置的安全。

當(dāng)再生滑閥兩端壓差低于設(shè)定容忍值時(shí)，由差壓控制器暫時(shí)取代溫度控制器調(diào)控再生滑閥的開度，改善閥兩端的壓差，以保證催化劑的正常流化、循環(huán)。為避免反應(yīng)器溫度或滑閥兩端壓差在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，本控制回路對(duì)溫度和壓差調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)均作高低限幅處理，過(guò)濾掉偏離設(shè)定值過(guò)大的信號(hào)?；y接收到的控制信號(hào)介于高、低限幅范圍內(nèi)，降低了再生滑閥動(dòng)作的幅度和頻率，提升了回路控制的品質(zhì)和精度，有利于裝置的安全、穩(wěn)定、低耗運(yùn)行。

一定工況范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度、再生滑閥的低選控制可視為正常工況與聯(lián)鎖停車之間的緩沖措施，一定程度上避免了直接觸發(fā)安全聯(lián)鎖、造成系統(tǒng)停車，減少了因停車帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也保障了裝置平穩(wěn)、高效地運(yùn)行。

（2）取消反應(yīng)器、再生器的壓差控制，只設(shè)置兩器壓差報(bào)警、跳車聯(lián)鎖。反應(yīng)器、再生器分別設(shè)置獨(dú)立的壓力調(diào)節(jié)手段，并使兩器壓力差設(shè)定在10 kPa左右。在水洗塔塔頂設(shè)置壓力調(diào)控并結(jié)合氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速等手段維持反應(yīng)壓力的穩(wěn)定。通過(guò)操縱雙動(dòng)滑閥的開度使再生壓力維持在設(shè)定值。兩器壓差可在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，若壓差出現(xiàn)嚴(yán)重偏離，則聯(lián)鎖關(guān)閉再生滑閥、待生滑閥以切斷兩器之間的聯(lián)系。

（3）將燃料氣流量引入再生器密相溫度控制方案中，設(shè)置溫度-流量串級(jí)調(diào)節(jié)回路。再生器溫度波動(dòng)大、調(diào)節(jié)頻繁可能造成燒焦效果差，嚴(yán)重時(shí)造成催化劑的水熱失活[3]。該方案減緩了溫度的時(shí)滯特性帶來(lái)的危害，提升了該回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)，使再生器溫度更加穩(wěn)定、平順，避免了不良后果的發(fā)生。

（4）反應(yīng)器4 組取熱盤管分別設(shè)置單閉環(huán)流量調(diào)節(jié)回路，雖各組間流量仍會(huì)相互影響，但各組流量基本相同，避免了引流量過(guò)分不均導(dǎo)致的盤管偏燒并損壞的問(wèn)題，降低了停車風(fēng)險(xiǎn)。該方案借鑒催化裂解裝置的成熟經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

反應(yīng)-再生系統(tǒng)的控制方案是PDH 裝置最復(fù)雜、最棘手的技術(shù)問(wèn)題之一，設(shè)計(jì)不合理會(huì)極大地制約整個(gè)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性。目前，PropeNEXTTM丙烷脫氫工藝在中東已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，反應(yīng)-再生系統(tǒng)運(yùn)用上述優(yōu)化的自控方案，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器各變量進(jìn)行合理的優(yōu)化控制，有效地解決了反應(yīng)-再生系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、能耗高、停車頻繁的難題，保障了反應(yīng)-再生系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，取得了預(yù)期效果。