实时优化技术在碳三加氢反应器上的应用

肖波

（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波 315207）

中国石化镇海炼化分公司（以下简称镇海炼化）乙烯装置裂解炉部分采用中国石化和美国鲁姆斯公司合作专利技术，回收部分采用鲁姆斯公司的深冷顺序分离流程专利技术，乙烯年设计生产能力为100万t。碳三加氢反应器采用单段固定绝热液相加氢反应器，应用钯系催化剂，脱除碳三物流中甲基乙炔和丙二烯（MAPD）物质，满足反应器出口MAPD≤2 000 mL/m3的要求。碳三加氢反应器的控制采用简单PID控制，虽然能使产品指标基本达到设计要求，但装置无法达到平稳、高效运行。2016年镇海炼化乙烯装置与华东理工大学合作，运用先进控制与实时优化技术[1]，结合碳三加氢反应器生产工艺特点，实施了先进控制与实时优化改造项目，即反应器入口温度、氢炔比采用先进控制与实时优化技术，提升了操作稳定性，提高了碳三加氢反应器的选择性和丙烯收率。

1 工艺流程简介

在碳三加氢部分，高压脱丙烷塔塔顶物料中的甲基乙炔（MA）和丙二烯（PD）被选择性加氢为丙烯和丙烷。高压脱丙烷塔塔顶物通过分子筛干燥器FF-402A/B和砷保护床DC-403后被送到碳三加氢器DC-402A/B，以保证除去残余水和羰基硫（COS）以及砷。碳三加氢反应器采用北化院加氢催化剂，包括两个单转化床层，一开一备，以保证操作的连续性，干燥的MAPD进料与甲烷化反应器出口的富氢气体按一定比例混合后进入反应器，碳三加氢是放热反应，因为其反应热由蒸发一部分C3进料而被带走，所以温升缓和。在加氢期间，小部分MAPD被转化为一种称为C3绿油的聚合物，转化器出料中的MAPD含量低于2 000 mL/m3，离开反应器时蒸汽和液体分相，保证反应器以喷淋床形式进行操作，两股物料被送往碳三加氢反应器出料分离罐FA-409，分离罐配有一个以急冷水为热媒的热虹吸再沸器EA-423，离开分离罐顶部的气体被送往丙烯精馏塔，罐底部含有C3绿油的液体被循环回高压脱丙烷塔，具体工艺流程如图1所示。

图1 碳三加氢工艺流程

2 碳三加氢反应器建模与模拟

2.1 加氢反应

碳三馏分在反应器中的加氢过程主要发生以下反应[2]：

主反应：

CH3-C≡CH＋H2→C3H6＋165 kJ/mol；

CH2＝C＝CH2＋H2→C3H6＋173 kJ/mol；

副反应有：

C3H6＋H2→C3H8＋124 kJ/mol；

nC3H4→（C3H4）n低聚物；

C4H6→高分子聚合物；

碳三馏分中的MAPD在反应器加氢过程中被脱除。MAPD加氢是强放热反应，MAPD含量越高，总反应热越大，因此需要及时有效移出反应热、避免催化剂床层产生较大的温升，加快副反应进行，造成丙烯损失。同时加氢反应中生成的低聚物还会粘附在催化剂表面，降低催化剂活性，缩短反应器使用周期。

2.2 模型校正氢气量

碳三加氢反应器入口氢气流量的计算方式有两种，一是根据氢气流量表读数和氢气组成计算，二是根据碳三加氢反应器入口组成和总流量计算，理论上由上述两种方法计算得到的氢气流量应该相等。通过采集镇海炼化乙烯装置碳三加氢反应器运行参数，对过程变量和反应器入口和出口各组分的浓度进行分析，主要参数平均值如表1所示。

表1 碳三加氢主要过程变量平均值

由表1可知，碳三加氢反应器出料流量约为182 t/h，进料流量约为168 t/h，总物料不守恒。采用方式一得到反应器内氢气消耗量为：

氢气变化量＝进料氢气流量－出料氢气流量＝112.0311－5.7638＝106.2673（kmol/h）。

采用方式二间接推算的氢气消耗量为：

氢气反应量＝（进料MAPD流量－出料MAPD流量）＋（出料C3H8流量－进料C3H8流量）＝104.4861（kmol/h）。

两种方式计算得到的碳三加氢反应器氢气消耗量的结果存在一定偏差。由此可见装置实际运行物料不平衡，故需要对运行数据进行归一化处理，对模型中氢气消耗量进行校正。

2.3 碳三加氢反应器模型参数拟合

反应速率方程为：

采用一维拟均相平推流模型，质量平衡方程为：

能量平衡方程为：

其中，E为反应活化能，kJ/（mol·K）；R为气体常数8.314，J/（mol·K）；ki为反应指前因子；T反应温度，℃；n丙烯、丙烷生成的反应级数；CA氢气摩尔浓度，kmol/m3；CBMA、PD、C3H6摩尔浓度，kmol/m3；FI液相摩尔流率，kmol/h；z反应器长度，m；rj，d反应速率，kmol/（m3·s）；ρb催化剂密度，kg/m3；S反应器截面积，m2；△Hi反应焓变，kJ/kmol；Cp，i组分热熔，kmol/（mol·K）。

经过计算和数据回归，得到丙炔（MA）加氢动力学方程：

2.4 碳三加氢反应器模型精度验证

利用建立的模型对碳三加氢反应过程进行了离线模拟，并计算了MAPD转换率的模拟值和实际值，计算结果如表2所示。

由表2可以看出，模型的MA和PD转化率与实际值的误差均在1%以内，该模型具有很高的拟合精度，精度满足优化计算的需要。

3 碳三加氢反应器参数灵敏度分析

3.1 入口温度对选择性、出口丙烯浓度影响分析

由于碳三加氢反应为液相加氢，应用钯系催化剂的实验证明[3]，15～30℃的起始温度变化对催化剂加氢活性及选择性无明显影响。在其他运行参数不变的情况下，通过改变碳三加氢反应器入口温度，模拟入口温度变化对选择性和丙烯浓度的影响，详见图2。

图2 反应器入口温度对选择性、丙烯浓度的影响

由图2可以看出，随着反应器入口温度从30℃升高至45℃的过程中，反应器出口丙烯增量、选择性都升高，但是温度过高会导致绿油生成和反应器飞温，缩短反应器运行周期，因此温度不宜过高。入口温度超过33.5℃时，入口气相分率增加，而加氢反应发生在液相，温度上升带来的气相增加会导致MAPD反应不完全，另外为保证产品质量，出口MAPD浓度不宜过高，因此碳三加氢反应器入口温度不宜超过43℃。

表2 MAPD转化率模拟与实测计算值对比

3.2 反应压力对选择性、出口丙烯浓度影响分析

碳三加氢反应是分子数量减少的反应，因此提高压力有利于MAPD加氢反应。在其他运行参数不变的情况下，通过改变碳三加氢反应器压力，模拟压力变化对碳三加氢反应器选择性、出口丙烯浓度的影响，详见图3。

图3 反应器压力对选择性、丙烯浓度的影响

由图3可以看出，随着压力的升高，会造成反应器出口丙烯损失增加，同时降低碳三加氢反应器的选择性。因此，为兼顾碳三加氢反应器出口丙烯含量和MAPD的浓度，反应器压力宜控制在2.32～2.58 MPa范围内。

3.3 配氢量对选择性和出口丙烯浓度影响分析

镇海炼化乙烯装置加氢反应器采用后加氢工艺，氢气来自于甲烷化经脱除一氧化碳后的高纯度氢气。在其他运行参数不变的情况下，通过改变碳三加氢反应器氢气量，模拟配入氢气量变化对碳三加氢反应器选择性和出口丙烯浓度的影响，详见图4。

由图4可以看出，碳三加氢反应器入口配氢量较少时，主要发生MAPD加氢生成丙烯的反应，出口丙烯量和选择性随加氢量增加而升高，若加氢量过少则出口MAPD浓度过高会影响丙烯产品的质量；当随着配入氢气量的继续增加，反应器的选择性将会下降，反应器出口丙烯含量也会随之降低；当配入氢气过量时，将会发生副反应，会有一部分丙烯转化生成丙烷，造成碳三加氢反应器出口丙烯量和选择性下降，因此碳三加氢反应器入口配入氢气量不宜过低和过高。

图4 配氢量对选择性、丙烯浓度的影响

4 碳三加氢反应器实时优化控制

4.1 氢炔比控制和出口MAPD浓度控制

由于裂解原料和裂解操作条件多变，致使反应器进料中MAPD含量也不断变化，仅仅依靠物料流量与配氢量的比值控制，很难保证出口MAPD浓度的平稳，采用实时优化控制势在必行。

1）氢炔比控制。首先根据碳三加氢反应器进料量和进料MAPD浓度计算进入反应器物料中实际MAPD摩尔流量，然后根据设定的氢炔比动态调整配氢量，作为氢气流量控制的设定值，以反应器的选择性最大为目标。

2）MAPD浓度控制。碳三加氢反应器出口MAPD浓度的控制目标是控制在设定值附近，通过自动调整氢炔比设定值实现出口MAPD浓度控制。

4.2 入口温度及反应器压力控制

碳三加氢反应器入口温度及反应器压力控制保留原DCS系统的控制回路，调节方式不变。先进控制系统设计了与实时优化系统的接口，实现优化值的下载和平稳变化。

5 实时优化控制系统投用效果分析

5.1 碳三加氢反应器选择性

实时优化系统模型以选择性最大为目标，对氢炔比、进料温度进行优化调整。2019年3月5日碳三加氢反应器实时优化系统正式投用，通过对投用前后4个月运行数据进行采集分析，得出实时优化系统投用前后反应器的选择性和出口MAPD变化趋势，如图5所示。

通过图5可以看出，2019年1月至2月实时优化系统未投用之前，碳三加氢反应器选择性明显较2019年3月投用之后低很多。实时优化系统投用之前碳三加氢反应器选择性平均值为85%，投用之后选择性平均值为92%，由此可见实时优化系统投用后碳三加氢反应器的选择性得到了进一步提高，同时也提高了操作的稳定性。

图5 优化系统投用前后选择性及出口MAPD变化

5.2 经济效益分析

碳三加氢反应器优化系统实时计算进入反应器物料中实际MAPD量，动态调整反应器入口配氢量，以装置效益最大化为目标，极大地减少了操作人员频繁调整配氢量和入口温度的频率，减轻了操作人员的劳动强度，提升了装置的运行平稳度和安全可靠性。

碳三加氢反应器优化系统投用前后主要工艺参数对比见表3。

由表3可知，碳三加氢反应的选择性提高了7百分点。丙烯增量由63.78 kmol/h增加到69.11 kmol/h，净增丙烯5.33 kmol/h；丙烷增量由12.52 kmol/h减少到了7.71 kmol/h，净减少丙烷4.81 kmol/h，同时氢气消耗相应减少约6.91 kmol/h，即丙烯净增223.86 kg/h，丙烷减少211.64 kg/h，氢气消耗减少13.82 kg/h。

表3 优化系统投用前后主要工艺参数对比

按设计年均生产8 000小时计算，2019年4月丙烯均价7 781元/t，可产生经济效益1 409.60万元；氢气均价10 398元/t，可增加经济效益114.96万元；丙烷均价4 730元/吨，可减少效益800.85万元，碳三加氢反应器实时优化系统实施后，年产生的直接经济效益为723.71万元。

6 结论

碳三加氢反应器实时优化系统投用以后，操作人员仅需将控制变量的上下限设置在合理的范围内，控制器便会根据预设模型以选择性最大为目标进行自动调节，操作人员的工作重心由原来的保证碳三加氢反应器的平稳运行转移到了如何优化操作工艺参数，充分挖掘经济效益方面，提高了工作效率，减轻了工作强度；同时各个操作变量稳定性良好，增加了丙烯产量，提高了装置总体经济效益。