乙烯装置碳二加氢反应器飞温案例分析及对策

黄国金，史建波，张恒珍

(中国石油化工股份有限公司 茂名分公司,广东 茂名 525000)

某公司乙烯2号裂解装置采用中国石化与鲁姆斯公司(LUMMUS)合作开发的乙烯专利技术，在分离系统采用前脱丙烷前加氢技术，在生产操作过程中，碳二加氢系统的稳定运行及操作对下游乙烯产品质量和收率有着重要的作用，控制碳二加氢反应器稳定性是整个乙烯装置平稳运行的关键，一旦反应器发生飞温或漏炔，分离系统将被迫停止进料，大量物料排放火炬，造成巨大的经济损失。因此，本文针对该裂解装置碳二加氢反应器曾出现过的飞温案例进行剖析，从飞温因素、飞温机理、飞温处理、以及如何避免飞温等多维度进行分析，对工业生产和其他同类装置具有一定的指导和借鉴意义。

1 碳二加氢工艺流程简述

高压脱丙烷塔TB-401塔顶气相分别经过碳二加氢反应器进出料换热器EB-402、EB-414、低压蒸汽加热器EB-403加热后，进入碳二加氢反应器RB-401A～D脱除炔烃。从反应器出来的裂解气经过EB-414冷却,在第二干燥器VB-420中除去少量水分。经EB-402，乙烯精馏塔中间再沸器EB-413冷却、冷凝器EB-409冷凝后，再在高压脱丙烷塔回流罐VB-401进行气液分离，含有C3的液相部分作为回流液返回TB-401顶部，气相进入冷箱EB-490DX，碳二加氢系统流程如图1所示。

碳二加氢反应系统由4个相同的炔烃反应器串联组成，正常生产时三段运行，一段备用。碳二加氢反应是在不与外界发生热交换的绝热反应，每个反应器出料均设置冷却器，利用循环冷却水冷却。催化剂的活性使用进料温度控制，碳二加氢反应器设计将最新的催化剂床层放到末端位置，各床层都设计了催化剂装载和卸载的位置，催化剂装填量为26.7 m3，碳二加氢系统入口和出口都设有在线分析仪表监测CO和C2H2的体积分数。反应器入口温度控制器分程控制冷却器冷料及其旁路热料两股物料的流量，进而调节反应器入口温度，每个反应器还设有出、入口温差监测表，可以反映反应器内发生反应的程度。

2 飞温案例分析

2.1 出口联锁阀故障关闭引起反应器飞温

2018年碳二加氢反应器因出口联锁阀(UV-24004) 故障关闭，导致反应器第三段出口温度高高触发联锁，前冷气相进料控制阀联锁关闭，后系统进料中断。

2.1.1 飞温原因分析

针对该次反应器飞温的原因有着较大的争议，主要有两种不同意见： 一是系统憋压，反应器内物料停留时间过长导致飞温；二是C4组分进入碳二加氢系统引起飞温。笔者将从以下几方面进行分析：

1)反应器床层温度分析。从DCS历史数据记录来看，碳二加氢系统三个反应段出口温度的峰值出现明显的错峰，温度变化趋势如图2所示。一段出口温度首先达到峰值102.0 ℃，8 min后二段出口温度达到峰值175.7 ℃，再过6 min后三段出口温度突然飞升到峰值268.7 ℃，从反应器出口温度曲线趋势可以看出，一段、二段出口温度快速升高时，三段出口温度趋势还是很平直的，如果碳二加氢反应器是因为憋压物料停留时间过长引起，那么三个反应段的出口温度曲线趋势应该同步升高。由此看出，该反应器飞温原因不是憋压导致物料停留时间过长引起。

图1 乙烯2号裂解装置碳二加氢系统流程示意

图2 反应器三段出口温度变化趋势示意

2)高压脱丙烷塔顶温分析。TB-401塔顶温在4 min内从-8 ℃升至0，此时该塔顶C4组分已经严重超标。查看回流泵PB-401出口的回流量，仅仅3 min内由正常的48 t/h降至为0，而VB-401罐液位显示一直大于50%。即使在备泵自启动双泵运行回流量仍然为0，且在之后的近30 min内回流量仍然为0。

3)化学反应分析。王飞[1]等人介绍了乙烯、乙炔加氢反应动力学方程主要与氢气分压有关，反应速率与乙烯、乙炔分压没有太大关系，因此可以从化学反应的角度考虑。即使反应器总进料量为零的极限情况下，反应器床层无物料流通，那么反应器里的氢气总量是有限的，反应器里乙炔消耗完、部分乙烯继续发生加氢反应，至氢气消耗完所放出热量也是有限的。而当氢气消耗完后，所有反应即自行终止，此时再无热量放出，不可能发生飞温。根据该次飞温现象分析反应器总进料量波动趋势，其质量流量最低值为150.26 t/h，达到运行负荷的70%以上，且持续时间仅为2～4 min，从空速低、物料停留时间过长这一因素，可以排除该反应器飞温原因不是因憋压物料停留时间长引起的。

4)反应器出口联锁阀前后压力分析。UV-24004阀关闭后，TB-401塔顶压力从2.18 MPa升高至2.66 MPa，为避免裂解气压缩机出口超压，操作人员将碳二加氢第三段反应器出口压控阀保持一定开度，使整个碳二加氢系统具有一定流通能力。UV-24004阀后压力从2.00 MPa降至1.00 MPa，VB-401罐顶压力从1.93 MPa降至0.99 MPa，PB-401泵出口压力随之降至1.80 MPa TB-401塔顶和PB-401泵出口压差巨大，导致无法正常输送回流液到达塔顶，回流中断导致塔内大量C4组分从塔顶输出并进入碳二加氢反应器中，最终导致反应器飞温。

2.1.2 避免飞温措施

操作人员在遇到反应器飞温情况时，首先是检查流程，在最短的时间里查找出故障阀门，并通过DCS查看各阀门颜色有无变红或黄，根据阀门前后差压大小，判断出故障阀门后，立即通知操作人员到现场手动打开故障阀门，中心控制室管理人员及时通知前后岗位做好应急操作。针对该次反应器出口UV-24004 阀故障全关，飞温联锁事件，反复研究，认为正确的处理思路和措施有以下几点：

1)出口压控阀保持关闭。通过裂解气压缩机四段出口压力控制阀控制压缩机出口压力。如果手动打开该反应器第三段出口阀排放火炬，阀门开度越大，开的越早，发生飞温联锁的概率越大，反应器流通量越大，即从TB-401塔顶进入该反应器的物料越多，且含有大量的C4组分，物料全部流向火炬系统，有可能导致裂解气压缩机转速失控。

2)压缩机防喘振阀保持关闭。裂解气经VB-420干燥后返压缩四段吸入罐VB-306的“五返四”防喘振阀FV-24061刚打开时，UV-24004阀后物料会优先返回VB-306罐， TB-401塔顶回流更难，影响塔顶温恢复时间。另外，当VB-401罐压力降至0.9 MPa后，VB-306罐物料会进入0.6 MPa的前冷低压系统，导致重组分污染前冷系统。

3)控制阀应及时手动关小。UV-24004阀故障关闭后，前冷系统进料中断，故应及时关小前冷进料控制阀，先建立VB-401罐压力， TB-401塔顶回流才能建立。

4)各段入口温度控制器全关。日常生产中，若该反应器发生温度波动的概率较大，因控制阀故障、仪表假信号等因素，而在处理过程中如果原因判断不够准确、及时，反应器很可能就发生飞温。因此，在故障处理中必须力保床层温度不发生高高联锁而非保证出口C2H2气体含量不超标，应果断快速对反应器系统进行降温处理。

如果不能及时准确判断出原因，操作员应快速动作将各段入口温度控制阀全关，即各段段间冷却器处于最大冷却状态。

2.2 入口温度异常升高引起反应器飞温

2021年该反应器一段入口温度的SP值从52.1 ℃直接设定为71.0 ℃，一段入口控制阀开度同步从23.5%快速打开至70.0%，反应器二段入口温度的SP值从52.5 ℃直接设定为70.5 ℃，二段入口控制阀开度同步从44.01%快速打开至95.01%，反应器三段入口温度的SP值从55.0 ℃直接设定为70.5 ℃，三段入口控制阀开度同步从78.5%快速打开至95.0%。由此看出，一、二、三段入口温度控制阀开度越大，反应器各段温度升温越高。当该反应器一段出口床层温度为200 ℃时触发高温联锁，导致碳二加氢系统停车。

2.2.1 飞温原因分析

1)DCS保护逻辑存在漏洞。DCS保护逻辑是先进过程控制(APC)与DCS之间的安全屏障，在APC投用条件全部满足的情况下，才将APC中间值输出到底层PID位号，确保在安全的情况下实现APC控制。该装置投产初期时碳二加氢系统APC控制器已被激活，但未投用，DCS将反应器各段入口温度设定值由52～55 ℃跳变到71 ℃，在APC总开关未投用情况下，模拟APC控制器激活下对分开关和APC中间值同时赋值，测试APC中间值。测试后发现APC中间值能够穿透保护逻辑改写DCS温度设定值，说明该DCS保护逻辑存在漏洞，没有判断总开关是否处于投用状态，导致在控制器未投用的情况下，将APC中间值对应到PID设定值。

2)新鲜催化剂活性高。2021年5月该装置在大检修时更换了该反应器催化剂，采用Pd/Al2O3负载，新鲜催化剂反应活性高。根据文献[2]中乙炔、乙烯加氢反应速率方程式可知，不考虑催化剂的失活，反应速率与入口温度上升呈指数型增长。

2.2.2 飞温后处理

碳二加氢反应器出现“飞温”现象后，因催化剂为新鲜催化剂，需要将反应器床层温度降至40 ℃以下后方可开车，避免开车时床层有热点再次发生飞温；同时为减少大量物料排放火炬，在该反应器联锁后，打开前冷进料控制阀逐渐恢复前冷进料。碳二加氢反应器经过置换约6 h后降温合格，并通过了“焖床”试验， 对反应器进行高压氮气充压至1.8～2.0 MPa时，再引入裂解气充压至2.2～2.3 MPa，复位进料，床层温度没有出现热点现象，开车正常。

2.2.3 避免飞温措施

1)要求DCS生产商完善DCS保护逻辑，严格控制回路权限管理，消除程序漏洞，保障APC正常应用。同时在APC组态过程中通知工艺人员并会签，避免造成生产装置DCS工艺参数误设，引起波动。

2)设置反应器入口快速降温线。遇到飞温情况，操作人员还可以通过TB-401塔顶旁路调整碳二加氢整个系统的入口温度，利用TB-401塔顶-7 ℃～10 ℃的低温物料加快对系统的降温工作；或者将反应器系统的EB-403可以设置为带冷却功能的换热器，可通过增加技改线来设置一条降温线。

3)增大碳二加氢系统流通量。为减少热量继续积累在床层形成床层热点，加速反应失控，在确保裂解气压缩机稳定的情况下开大压缩机循环量以增大碳二加氢系统空速和流通量，对反应器降温亦有较大的帮助。

4)缩小反应器入口温度的调整范围。温度是反应器的重要控制参数，在乙炔浓度一定的情况下，进料温度若较高，催化剂床层热点温度也较高[4]，可能使催化剂床层温度大幅度上升，副反应得到加速，因此在日常控制中温度必须控制在一定范围内，将一段入口温度控制器输出范围从原来0～100%调整为0～60%，二段、三段入口温度控制器输出范围从原来0～100%调整为0～80%，也可根据当前工况改变上限值，避免入口温度异常时阀门全开导致反应器发生飞温。

3 结束语

该系统是国内首套采用前脱丙烷前加氢技术的装置[6]。针对出口联锁阀故障关闭引起反应器飞温和入口温度异常升高引起反应器飞温案例，分析原因并总结，得出飞温主要归因于 C4 组分变化而非物料停留时间；反应器反应速率与入口温度之间的指数增长有关。采取了及时手动关小前冷进料阀、完善DCS保护逻辑，缩小反应器入口温度的调整范围等措施，对今后避免反应器飞温具有一定的指导意义和借鉴价值。