流化床丙烷脱氢工艺反应-再生系统自控方案优化.pdf
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1、图 1PropeNEXTTM反应-再生系统工艺流程摘要反应-再生系统是流化床丙烷脱氢的核心,脱氢反应和催化剂烧焦再生均在此完成,设置与该系统高度匹配、调控品质高的自动控制方案将极大地提升该系统的运行稳定性与安全性。对于 FBD 工艺反应-再生系统的自动控制方案,针对被控变量、操纵变量选取不合理,部分控制方案过于简单等问题进行分析,提出了更加合理、精准的自动控制方案。关键词低选压力温度反应-再生中图分类号TP 202近年来,随着乙烯装置原料轻质化,丙烯产能受限,丙烷脱氢(PDH)技术成为丙烯增产的新方向。投产的 PDH 装置大多采用 LUMMUS 固定床技术或UOP 移动床技术。流化床技术也可用
2、于丙烷脱氢,与前两种技术相比较,具有投资低、流程短、控制简单、能连续反应等优点1,应用前景广阔。目前,只有Yarsintez 公司与 Snamprogetti 公司共同开发的 FBD技术实现了流化床脱氢工业化应用,但能耗偏高。润和催化剂股份有限公司对 FBD 技术进行深入研究,二次开发出的 PropeNEXTTM丙烷脱氢工艺,具有能耗低、操作简单等优点。反应-再生系统是 PropeNEXTTM工艺的核心,决定丙烯的产率及催化剂再生效果。为保证反应-再生系统高效、稳定地运行,设置性能稳定、响应快速、调控精准的控制方案是十分必要的。通过对FBD 工艺反应-再生系统自控方案进行问题分析,在设计 Pr
3、opeNEXTTM工艺自控方案时进行了优化。1反应-再生系统工艺流程PropeNEXTTM反应-再生系统流程与 FBD 工艺基本相同,而且反应器、再生器采用更加先进的立管提升-斜管输送技术。系统主要由反应器、反应气三级旋风分离器(反应三旋)、丙烷进料换热器、取热盘管、再生器、再生气三级旋风分离器(再生三旋)、进料加热炉、主风机、滑阀等组成(见图 1)。反应、再生是连续的过程。丙烷原料在反应器取热盘管预热至 137 后,被进料加热炉加热至 590 送入反应器,与高温再流化床丙烷脱氢工艺反应-再生系统自控方案优化陈梦阳润和科华催化剂(上海)有限公司(上海201313)工作研究作者简介:陈梦阳男19
4、86 年生本科工程师主要从事丙烷脱氢自控方案及仪表相关技术工作1反应器;2反应器取热盘管;3反应器密相段;4反应器提升管;5反应三旋;6丙烷进料换热器;7再生器;8再生器密相段;9再生器提升立管;10再生三旋;11待生输送斜管;12再生输送斜管;13再生滑阀;14待生滑阀;15烟气双动滑阀;16进料加热炉;17主风机;TC温度调节器;PC压力调节器;WS/TS低选开关;FC流量调节器;WC藏量调节器;PDC压差调节器Vol.48 No.4Aug.2023上 海 化 工Shanghai Chemical Industry48 生催化剂逆流接触生成丙烯,丙烯油气通过反应三旋、丙烷进料换热器后送至急
5、冷/水洗塔。待生催化剂表面结焦、活性不足,送再生器烧焦、再生。高温再生催化剂通过再生斜管及再生滑阀返回反应器循环利用。主风机为催化剂烧焦、再生提供助燃空气,此过程产生的烟气经过再生三旋后送至废锅,最终排入大气。2FBD 工艺反应-再生系统控制方案问题分析FBD 工艺反应-再生系统的控制围绕着反应器温度、藏量,两器压差等变量进行(见图 2)。据调研,已投产的 12 套 FBD 工艺装置,普遍存在反应-再生系统运行不稳定,调节回路超调幅度大、震荡周期长,能耗高等现象。经过分析,该工艺控制方案存在下述问题。(1)反应器温度控制,操纵量选取不当,反应温度超调严重,震荡周期长。脱氢反应是强吸热过程,反应
6、器温度主要通过再生器内的再生催化剂带热维持。高温再生催化剂经过再生管、提升立管循环至反应器密相段,其输送动力来源于两器的压差和提升气。由图 2 可知,该方案控制分两部分:一是反应器密相段温度-提升气流量串级控制回路,二是手动操控再生滑阀的开度。由于催化剂循环带热量取决于再生滑阀的开度,当温度异常时,须先手动改变滑阀开度进行粗调,同时利用温度-流量串级回路进行微调。该方案对操作工的经验依赖很大,须精准操作再生滑阀的开度,否则会造成反应器迅速失温或超温。鉴于温度是时滞性极强的变量,温度-流量串级调节回路此时基本无调节温度的能力。随着时间的推移,反应器密相藏量逐渐异常,此时必须改变待生滑阀的开度,以
7、维持两器催化剂的物料平衡。藏量与温度相互影响,通过人工手段很难在短时间内取得立竿见影的效果。人工干预多,造成调节周期长、超调幅度大、系统不稳定,影响正常生产,严重时可能导致装置停车。(2)反应器密相段藏量与反应器温度控制原理基本相同。反应器密相段藏量也间接反映温度特征,藏量还有料封的作用,防止两器逆流、再生主风窜气引起事故。(3)再生器、反应器两器压差控制双动滑阀会导致两器均偏离各自的压力设定值。两器压差应是装置设计决定的,再生器、反应器应处在各自压力平衡中,大幅度波动将影响催化剂跑损和再生效果,对装置能耗和安全运行产生威胁。(4)再生器密相段温度控制采用单闭环回路,响应时间长,调节品质差。温
8、度波动大可能导致催化剂烧结失活或烧焦不彻底,进而导致催化剂损耗增加或丙烯转化率降低。(5)取热盘管缺少必要的流量均匀分配控制手段。反应器共设置 4 组取热盘管,完全对称布置,仅依靠各分支管线自动等量分流,对配管的对称要求极高。在装置实际运行中,4 组盘管相互抢流严重,流量分配不均,甚至引起偏烧,损坏盘管。损坏的盘管弃用后,各取热盘管所处的温度场发生变化,致使结焦增加,严重时需停车处理。3反应-再生系统控制方案优化流化床脱氢是一个复杂的气固动态过程2,给控制方案的制定带来极大的挑战。针对 FBD 反应-再生系统自控方案存在的问题,对 PropeNEXTTM工艺反应-再生系统控制方案提出了技术改进
9、措施。(1)反应器温度、藏量设定为被控变量,引入滑1反应温度-提升气流量串级调节;2反应密相藏量-再生提升气流量串级调节;3两器压差调节;4再生温度调节;5滑阀手动调节;HC手操图 2FBD 反应-再生系统控制方案陈梦阳:流化床丙烷脱氢工艺反应-再生系统自控方案优化第 4 期49 阀两端压差控制作为第二被控变量,取再生或待生滑阀的开度为操纵变量;同时,提升气流量,采用单回路定值调节。具体方案如下:反应器密相温度、再生滑阀两端压差设置低选约束,与再生滑阀构成温度-差压低选控制;反应器密相藏量、待生滑阀两端压差设置低选约束,与待生滑阀构成藏量-差压低选控制。鉴于温度、藏量控制原理基本相同,现以温度
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