丙烯酸反应器操作区域的计算

孙 旭

(中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院自控室,吉林吉林 132002)

0 引 言

丙烯酸是生产丙烯酸酯的主要原料,可通过丙烯直接两步法氧化制取丙烯酸。丙烯氧化反应器是装置中最重要的设备,其自动控制也是整个控制系统的关键所在,反应器操作区域的计算更是关键。两步法氧化制取丙烯酸需两台反应器,而第一台反应器是核心,该文以丙烯酸第一台氧化反应器为例来阐述操作区域的计算。

1 工艺流程简述

液态丙烯进入丙烯蒸发器进行汽化,再经丙烯过热器微过热。经空气压缩机压缩后空气进入进料混合器与过热丙烯充分混合后被送入第一反应器R-101,丙烯与氧气在催化剂的作用下反应生成丙烯酸及副产品丙烯醛等,反应放出的热量由热熔盐HTS带走。汽化丙烯和空气与惰性气体(由蒸汽和循环气组成)等在反应器充分混合后会形成爆炸性混合气体。氧化反应操作在正常的区域是控制的关键,需要检测物料的关键参数[1]。工艺流程如图1所示。

2 反应器操作区域的控制

氧化反应操作区域如图2所示[2],反应器存在两个爆炸区域。一个是由 FR1,FR2和FR封闭组成的反应器条件计算的区域;另一个是混合器条件计算形成的区域,由 FM1,FM2和FM封闭组成。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,则必须由安全仪表系统SIS联锁停止氧化反应[3]。在正常生产操作过程中,催化剂的选择和保护很关键。需要对催化剂进行欠空气以及防止接触液态水的保护。如果操作点的误差区域与 F R3区域相接触,则必须联锁停止氧化反应。

图1 工艺流程示意

氧化反应操作区域如图2所示[3]。

图2 氧化反应操作区域

气化丙烯、空气、蒸汽和循环气的压力、温度以及流量,空气的湿度,循环气的氧含量等参数都需要重点监控[4]。

2.1 操作点(XPP,XINT)的确定

操作点(XPP,XINT)的确定主要是计算出丙烯和惰性气体的摩尔百分数。进入反应器参与反应的介质都以气态形式存在,由于气体的可压缩性,决定了流量测量与温度、压力等参数都有关,需要对介质的流量进行相应的补偿[5]。

丙烯摩尔流量补偿qp的计算公式:

式中 qPP——丙烯流量;pPP——丙烯压力; tPP——丙烯温度;MPP——丙烯摩尔质量;pPPB——丙烯的设计压力;tPPB——丙烯的设计温度; ZPPB——丙烯压缩因数;pS——现场表压;A1,B1, C1——常数。

空气摩尔流量补偿qA的计算公式:

式中 ZA=1;qAir——空气流量;pAir——空气压力;tAir——空气温度;MAir——空气摩尔质量; pAirB——空气的设计压力;tAirB——空气的设计温度;AHA——空气湿度。

空气中水的摩尔流量qAW的计算公式:

式中 MWT——空气中水的摩尔质量。

蒸汽摩尔流量补偿qS的计算公式:

式中 qMP——蒸汽流量;pMP——蒸汽压力; tMP——蒸汽温度;MMP——蒸汽摩尔质量; pMPB——蒸汽的设计压力;tMPB——蒸汽的设计温度;ZMPB——蒸汽压缩因数;A2,B2,C2——常数。

循环气摩尔流量补偿qG的计算公式:

式中 ZRG=1;qRG——循环气流量;pRG——循环气压力;tRG——循环气温度;MRG——循环气摩尔质量;pRGB——循环气的设计压力;tRGB——循环气的设计温度。

总的摩尔流量qTOTAL:

丙烯的摩尔百分数 XPP:

空气的摩尔百分数 XAir:

式中 ARG——循环气氧含量。

惰性气体的摩尔百分数 XINT:

2.2 爆炸区域的计算

丙烯氧化反应事先需要预热,反应之后又放出很多的热量需要及时撤走,同时压力发生变化。预热和反应热的撤走由 HTS来实现,因此 HTS的温度和反应器顶部的压力也是需要检测的关键参数。丙烯酸反应器存在两个爆炸区域,下面分别对由反应器条件计算和混合器条件计算形成的爆炸区域进行阐述。

2.2.1 反应器条件区域

反应器条件计算所形成的爆炸区域由 F R1, FR2和 FR封闭组成。FR1为反应器爆炸区域的上部边界,F R2为反应器爆炸区域的下部边界, FR也是反应器爆炸区域的边界线[6],如图 2所示。具体的计算公式:

2.2.2 混合器条件区域

混合器条件计算形成的爆炸区域由 F M1, FM2和 FM封闭组成。其中 FM1为混合器爆炸区域的上部边界,FM2为混合器爆炸区域的下部边界,FM是混合器爆炸区域的另外一条边界线,如图2所示。具体的计算公式:

式中 tMix——混合器M-102出口温度。

2.3 催化剂保护区域的计算

为了保护催化剂,操作点必须位于 FR3区域以下。FR3具体的计算公式:

式中 L,M——常数。

2.4 误差区域

任何一种测量仪表都存在测量精度,也就是存在误差[7]。为了更精确确定操作点,应考虑到仪表设备的满量程误差。由于选定的测量仪表设备形式和厂商等各不相同,满量程误差也存在差异,需要根据实际情况来确定误差区域。

3 结束语

丙烯氧化生产丙烯酸的技术已经比较成熟,笔者介绍的反应器操作区域的计算方法已实际应用于装置中,运行效果良好。但由于采用的专利技术和仪表设备的不同,计算方法会略有差异,建设单位需要根据生产操作的情况进行相应调整,改进运算公式,确定各种应用常数,不断完善,以保证装置的本质安全运行。

[1] Kawahara.The Process Package for Acrylic Acid plant[G]. Mitsubishi Chemical Engineering Corporation,2004.

[2] 孙 旭.丙烯酸氧化反应器的控制[J].石油化工自动化, 2009,45(1):27-30.

[3] 国家发展和改革委员会.SH/T3018-2003石油化工安全仪表系统设计规范[S].北京:中国石化出版社,2003.

[4] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2000.

[5] 顾树生,王建辉.自动控制原理[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[6] Kawahara.Emergency Shutdown Logic[G].Mitsubishi Chemical Engineering Corporation,2004.

[7] 张 毅,张宝芬,曹 丽,等.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京:化学工业出版社,2009.