丙烯酸反应器爆炸曲线计算及其DCS实现

何家辉 谷 健 陈卓珺

(中国石油兰州石化公司电仪事业部，兰州 730060)

中国石油兰州石化公司8万t/a丙烯酸和10万t/a丙烯酸酯装置采用中国石油集团工程设计有限责任公司(CPE)东北分公司开发编制的具有自主知识产权的工艺包，即采用先进可靠的丙烯气相两步氧化法技术生产丙烯酸和连续酯化法技术生产丙烯酸甲/乙酯。

整个装置的关键设备为两台丙烯氧化反应器，其自动控制也是整个控制系统的关键所在。丙烯与空气、惰性气体(由蒸汽和循环气组成)混合后会形成爆炸气。一旦操作点进入爆炸区域，则整个装置都有爆炸的危险，所以氧化反应操作在正常的区域是控制的关键。

1 工艺流程概述①

新鲜空气经空气过滤器除尘和空气压缩机压缩后分为两路(图1)[1]，一路去第一反应器R-1101的预混合器M-1101，另一路进入第二反应器R-1102的进料混合器M-1103。压缩空气、来自管网的蒸汽和循环气在预混合器M-1101中混合后进入第一氧化反应器R-1101的进料混合器M-1102。与过热后的丙烯在进料混合器M-1102中混合后进入第一氧化反应器R-1101。混合后气体的摩尔比为：丙烯︰氧气︰水蒸气︰循环气=1.0︰1.7︰1.0︰2.4，其中，循环气中不包括丙烯、空气和水。

图1 工艺流程示意图

第一氧化反应器R-1101是固定床列管式反应器，列管内装填有Mo-Bi系催化剂，原料气体在Mo-Bi系催化作用下，生成丙烯醛及部分丙烯酸等产物。R-1102是列管式固定床反应器，列管内装填有Mo-V系催化剂，原料气体在催化作用下生成丙烯酸等产物。R-1101急冷段出口气体、水、氮气、丙烯醛与由K-1001 送来的空气在M-1103中充分混合后进入R-1102，在R-1102 中丙烯醛进一步氧化生成丙烯酸。M-1103 中的混合气体，氧气与第一反应器加入的丙烯的摩尔比为0.5∶1.0，混合气的温度为230℃。

2 丙烯酸操作区域计算的描述

2.1 操作区域描述

氧化反应操作在正常区域是控制的关键，反应器存在两个爆炸区域(图2)：一个是由混合器M-1102爆炸上限FNYM1、爆炸下限FNYM2和爆炸端线FNXM封闭组成的混合器条件计算的爆炸区；另一个由第一氧化反应器爆炸上限FNYR1、爆炸下限FNYR2和爆炸端线FNXR封闭组成的1#反应器条件计算的爆炸区[2]。

图2 丙烯氧化操作区域

反应的操作点必须位于两个爆炸区域以外。考虑到仪表设备的误差，操作点有可能扩展到误差区域，如果此误差区域与爆炸区域相接触，则必须由ESD停止氧化反应。在正常生产操作中，催化剂的选择和保护很重要。需要对催化剂进行欠空气和防止接触液态水的保护。如果操作点的误差区域与催化剂欠空气保护线FNYR3区域相接触，则必须由ESD逻辑停止氧化反应[2]，操作点必须位于FNYR3区域以下。若进气条件接近露点TD，则催化剂存在被水浸湿而损坏的危险，必须启动ESD逻辑停止氧化反应器系统。

2.2 爆炸区域的构成和计算

第一氧化反应器爆炸上限FNYR1=[-A×(xINT/100)+B×(THTS-C)+D+E×PRIK]×100，第一氧化反应器爆炸下限FNYR2={I×(xINT/100)+J×[1-K×(THTS-C)]}×100，第一氧化反应器爆炸端线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爆炸端线FNXM=[F×(PRIK+1.0)+G×TM+H]×100，催化剂欠空气保护线FNYR3=[-L×(xINT/100)+M]×100，催化剂防潮保护，水分压PH2O=[(FMPS+FRG×0.206045+FAW)/FTOTAL]×(PRI+PS)，露点TD=O+P×PH2O+Q×PH2O2+R/PH2O，当M-1102出口温度低于介质露点(即TM-TD≤0)时，ESD系统联锁停车。其中，A～M为常数，根据工况由设计院给定；THTS为HTS温度；PRIK为反应器顶部压力，单位换算kPa→kgf/cm2，PRIK=PRI×0.010197kgf/cm2；PRI为反应器R-1101顶部压力；TM为M-1102出口温度；FMPS为补偿后的蒸汽流量；FRG为循环气补偿后流量；FAW为第一反应器空气带水量；PS为当地大气压；TS为绝对零度；O～R都为露点计算常数，由设计院给定。

总摩尔流量(单位kmol/h)FTOTAL=FP+FA+FMPS+FRG+FAW，丙烯摩尔浓度(单位mol%)xPP=[(FP+FC3)/FTOTAL]×100，空气摩尔浓度(单位mol%)xAIR={FA+[FRG×(AOXG/21)]}/FTOTAL×100，惰性气(由蒸汽和循环气组成)摩尔浓度(单位mol%)xINT=100-xPP-xAIR。其中，FP为丙烯流量；FA为空气流量；FC3为循环气中的丙烯流量；AOXG为循环气氧气含量。

2.3 仪表精度对操作点和误差区的影响

氧化反应的操作点为(xPP，xINT)，因仪表在实际测量过程中有测量误差(带正负)存在，可能会造成操作点偏离。分别考虑丙烯流量、空气流量、空气湿度、蒸汽流量、循环气流量、循环气氧气含量测量精度(带正负)，由xPP=[(FP+FC3)/FTOTAL]×100 ，xINT= 100-xPP-xAIR可计算出偏差最大的6个端点(J1、J2、K1、K2、M1、M2)，由此6个点组成一个六边形区域，即为操作点最大可能偏离的区域(图2)。

3 防爆炸曲线、误差工作区域和操作点的DCS实现

3.1 建立静态坐标

根据装置工况给定数据xINT的范围为20～65，xPP的范围为0～11，制作出横坐标为20%～65%、纵坐标为0%～11%的静态坐标，根据屏幕布局，对应屏幕上横坐标20～65、纵坐标38～5。

3.2 爆炸曲线的确定

3.2.1第一反应器爆炸曲线确定

根据第一氧化反应器爆炸端线方程，代入数据得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1024+0.248]×100，设置变量xINT-END-R=FNXR、xINT1=xINT-END-R。

计算第一氧化反应器爆炸上限，先确定其爆炸上限起始点坐标，根据第一氧化反应器的爆炸上限方程，代入变量得FNYR1=[-0.235×(xINT/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，因为静态坐标系起始点x的坐标为20，设置变量xINT0=20，则第一氧化反应器爆炸上限起始点的x坐标为20，y坐标FNYR1-0=[-0.235×(xINT0/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，则第一氧化反应器爆炸上限的起始点为(xINT0，FNYR1-0)；接着确定第一氧化反应器爆炸上限终点坐标，第一氧化反应器爆炸上限的终点为与第一氧化反应器爆炸端线的交点，即FNYR1-1=[-0.235×(xINT-END-R/100)+0.0000736×(TI-1024-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，则第一氧化反应器爆炸上限的终点为(xINT1，FNYR1-1)。

计算第一氧化反应器爆炸下限，先确定其爆炸下限起始点的坐标，根据第一氧化反应器爆炸下限方程，代入变量得FNYR2={0.02×(xINT/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，因为静态坐标系起始点x的坐标为20，所以设置变量xINT0=20，则第一氧化反应器爆炸下限的起始点x的坐标为20，y坐标FNYR2-0={0.02×(xINT0/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，则第一氧化反应器爆炸下限的起始点为(xINT0，FNYR2-0)；接着确定第一氧化反应器爆炸下限终点坐标，第一氧化反应器爆炸下限的终点为与第一氧化反应器爆炸端线的交点，即FNYR2-1={0.02×(xINT1/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1024-25)]}×100，则第一氧化反应器爆炸下限的终点为(xINT1，FNYR2-1)。

计算第一氧化反应器爆炸端线，首先确定爆炸端线起始点坐标，爆炸端线与第一氧化反应器爆炸上限的交点即为爆炸端线的起始点坐标，则第一氧化反应器爆炸端线的起始点为(xINT1，FNYR1-1)；接着确定爆炸端线起始点坐标，爆炸端线与第一氧化反应器爆炸下限的交点即为爆炸端线的终点坐标，则第一氧化反应器爆炸端线的终点为(xINT1，FNYR2-1)。

将PI-1015A上限140kPa、TI-1023上限370℃代入第一氧化反应器爆炸端线可以计算出FNXR最大为43.116，所以将区域上限设置为44。

3.2.2混合器M-1102爆炸曲线确定

根据混合器M-1102爆炸端线方程，代入数据得FNXR=[0.0154×(PRIK+1.0)+0.000394×TI-1011+0.248]×100，设置变量xINT-END-M=FNXR、xINT2=xINT-END-M。

计算M-1102爆炸上限，首先确定其爆炸上限起始点坐标，根据混合器M-1102爆炸上限方程，代入变量得FNYM1=[-0.235×(xINT/100)+0.0000736×(TI-1011-25)+0.102+0.0062×PRIK]×100，将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，则混合器M-1102爆炸上限的起始点为(xINT0，FNYM1-0)；接着确定混合器M-1102爆炸上限终点坐标，将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，则混合器M-1102爆炸上限的终点为(xINT2，FNYM1-1)。

计算M-1102爆炸下限，首先确定其爆炸下限起始点坐标，根据混合器M-1102爆炸下限方程，代入变量得FNYM2={0.02×(xINT/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，将xINT0=20代入方程，即得FNYM2-0={0.02×(xINT0/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，则混合器M-1102爆炸下限的起始点为(xINT0，FNYM2-0)；接着确定混合器M-1102爆炸下限终点坐标，将变量xINT2代入方程，即得FNYM2-1={0.02×(xINT2/100)+0.024×[1-0.0000072×(TI-1011-25)]}×100，则混合器M-1102下限的终端点为(xINT2，FNYM2-1)。

计算混合器M-1102爆炸端线，首先确定混合器M-1102爆炸端线起始点，爆炸端线与混合器M-1102爆炸上限的交点即为爆炸端线的起始点，则混合器M-1102爆炸端线起始点为(xINT2，FNYM1-1)；接着确定混合器M-1102爆炸端线终点，爆炸端线与第一氧化反应器爆炸下限的交点即为爆炸端线的终点，则混合器M-1102爆炸端线终点为(xINT2，FNYM2-1)。

3.2.3欠空气催化剂保护线确定

先确定欠空气催化剂保护线起始点坐标，根据欠空气催化剂保护线方程，代入变量得FNYR3=-L×(xINT/100)+M=[-0.1419×(xINT/100)+0.1336]×100，将xINT0=20代入方程，得到y坐标FNYR3-0=[-0.1419×(xINT0/100)+0.1336]×100，则欠空气催化剂保护线起始端点为(xINT0，FNYR3-0)；接着确定欠空气催化剂保护线终点坐标，根据设计院所给数据将终点横坐标设为xINT17=60.8，代入方程得FNYR3-17=[-0.1419×(xINT17/100)+0.1336]×100，则欠空气催化剂保护线终端点为(xINT17，FNYR3-17)。

4 结束语

丙烯氧化生产丙烯酸的技术已经比较成熟，但在实际生产中，一般都根据防爆炸曲线方程组设计ESD联锁停车程序，很少用此方程组设计DCS操作画面，导致不能有效、直观地指导操作人员及时调整操作，进而使装置停车。笔者阐述的反应器操作区域的计算方法和DCS曲线制作已实际应用于中国石油兰州石化丙烯酸装置中，运行效果良好，指导操作及时。以上所述内容可以为其他类似问题提供借鉴。

[1] 孙旭.丙烯酸氧化反应器的控制[J].石油化工自动化，2009，45(1)：30～33，42.

[2] 孙旭.丙烯酸反应器操作区域的计算[J].石油化工自动化，2010，46(5)：11～13，19.