流化床反應器的控制測量系統

年產2.5萬噸丙烯腈（AN）裝置（后擴產為4萬噸）系引進美國SOHIO公司丙烯氨氧化法技術，以丙烯（C3H6）、氨（NH3）和空氣（AIR）為原料，采用國產MB-96微球型催化劑（后經過多次更新，現為MB-99），在流化床反應器中生成AN、乙腈、丙烯醛、氫氰酸及一些重組分；反映氣體經過急冷、吸收、精餾等過程得到AN，其工藝較為完善合理。目前世界上生產AN的裝置大都應用該工藝路線，具有一定的*水平，工藝過程中的控制測量系統采用日本橫河公司生產的CENTUM-V型集散控制系統（DCS），一次儀表主要以ROSEMOUNT公司生產的1151系列變送器、西門子公司的氧分析儀、DKK公司的PH計以及其他現場儀表。全裝置共有98套控制系統（含復雜控制系統）、386個工藝參數檢測點和12套聯鎖系統。由于設計合理，整個裝置的自控、檢測亦達到了相當高的水平。該裝置自投用以來，DCS系統工作穩定可靠、狀態良好，有力地保證了生產的正常進行，取得了良好的經濟效益。
　　在丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的生產中，流化床反應器（R101）是整個工藝的設備。其工藝條件操作控制的好壞，直接影響到丙烯腈的產量、原材物料的消耗等關鍵技術指標。因此，精密控制、準確測量反應器的有關工藝參數，是保證正常生產和提高經濟效益的重要條件。由于采用了較為*的DCS系統，使得流化床反應器的控制與測量系統具有模擬儀表不可比擬的優點，特別是較為*的控制技術得以實現，本文將對其進行著重闡述。

二、 工藝概述
帶控制點的工藝流程簡圖參見附圖一。
　　液態的丙烯與液氨經過氣化后，在管路中匯合后經反應器底部的丙烯、氨分布器進入反應器，壓縮空氣經反應器底部的空氣分布器進入反應器，三種物料在處于流化狀態下的催化劑的作用下，生成丙烯腈。反應方程式為：

　　在上述反應的同時，還有一系列的副反應。主要生成物有乙腈、氫氰酸、丙烯醛等。合成氣體中夾帶有催化劑，經反應器上部的旋風分離器分離，絕大部分催化劑返回到反應器中重復使用。反應氣體經過反應氣體冷卻器（E102）冷卻后，再經中和、吸收、萃取、精制等一系列過程的處理，得到成品丙烯腈。

1） R101反應溫度的粗調
　　由于丙烯、氨氧化法合成丙烯腈的過程為一強放熱反應，工藝上在R101反應段共加了３２組降溫水管和?組過熱管，管內通以軟水，通過軟水汽化產生蒸汽，從而帶走反應所放出的熱量。生產中，可根據生產負荷的大小投運不同數量的降溫水管。特別是在反應器R101的開車階段和負荷調整階段,用該種辦法可對反應溫度進行粗調。

2） R101反應溫度的細調
　　通過R101反應溫度的粗調，可獲得一定幅度內的反應溫度，但由于多種干擾因素的影響，造成反應溫度的不穩定，進一步的細調則采用了如圖三（見下頁）所示的溫度自控系統，所用儀表及機能見表一。本控制系統實為一反應溫度為主參數，丙烯、氨、空氣流量為副參數的串級比值調節系統。其基本構思是：在丙烯腈生產負荷基本穩定的情況下，由于其反應放熱近似為恒量，當投入一定量的降溫水管后，反應放熱與降溫水管所帶走的熱量基本保持平衡。如果由于受到某種干擾，反應溫度產生一偏差時，調節進入R101的丙烯進料量，在比值系統的作用下，氨、空氣的進料量亦隨之變化，使其穩定在給定值上。

本控制系統有以下幾個特點：
A） 反應溫度的測量：由于R101的直徑較粗，單一個測溫點不足以反映反應溫度，選取在R101反應段兩個不同的橫截面上，各采用五支不同長度的熱電偶分別測量其橫截面上的五點溫度，然后取其平均值。

TY1127（PV）和TY1122（PV）送至TX1127（選擇開關）在實際操作中，可根據工藝狀況選擇TY1122（PV）或TY1127（PV），作為R101的反應溫度值。

B） 為了確保生產負荷，在設計中考慮到對原料丙烯的投入設定量FS1101，并將原料丙烯的純度值FS1102（經人工分析得出）輸入到FY1101。經FY1101計算后，分別輸出到FF1100[SV=1.05]與FF1101[SV=0.95]，兩者分別送低值選擇器FS1103與高值選擇器FS1104,在與TC1103的MV值進行比較選擇后,作為FC1101的給定值,顯而易見由于以上條件的約束,其生產負荷可控制在95%～105%之間,亦即在R101降溫水管投運使操作溫度得到一定范圍的粗調后,利用進料量來控制反應溫度時,其生產負荷的可調量為10%（105%～95%）,由此確保了產品產量。

C） 丙烯、氨、空氣分別設有各自的流量調節系統，并分別進行壓力、溫度補償，可以準確的測量其流量，并為準確的控制氨烯比、氧烯比和測量R101內的線速度等，提供了充要條件。
針對丙烯、氨、空氣的溫壓補償，CENTUM 系統專門設計了一個函數

RD——表示丙烯、氨、空氣未經補償的流量
P——表示丙烯、氨、空氣當前的壓力
T——表示丙烯、氨、空氣當前的溫度
Tb——表示溫度設計參考值
Pb——表示壓力設計參考值
Ts——表示溫度儀表量程值
Ps——表示壓力儀表量程值
這里，將丙烯、氨、空氣流量在DCS中的計算公式陳列如下，具體推導過程暫且省略：
FC-1101：
A=5.045
B=0.1722
C=2.731
D=TPC（RD，PV（PR1103），PV（TC1105），A，B，C）
PV=D

FC-1102：
A=5.045
B=0.1722
C=2.731
D=TPC（RD，PC（PR1104），PV（TC1106），A，B，C）
PV=D

FC-1103：
A=3.248
B=PV（PI1124）+0.26
C=PV（TI1187）+1.09
D=（A*B）/C
E=SQRT（D）*RD
PV=E

　　當反應溫度受到干擾因素的影響偏離設定值時，TC1103的輸出改變，通過FS1103，FS1104進行高低值選擇后，作為FC1101的給定值，調整進料C3H6的流量。進料C3H6量的 PV值在FY1102進行C3H6純度修正后，分別由FF1102、FF1103，按所設定的氨烯比與氧烯比計算出所需的原料氨及空氣流量的設定制，由FC1103控制進料氨 與空氣的流量 ，從而達到原料的比值控制。

D） 設置了FI1103低值連鎖系統，當空氣流量FC1103低于一定值，將對R101催化劑造成危害時，連鎖相關電磁閥緊急停車 ，保證催化劑的安全。
E） 設置了 FF—1111H（氧烯比）高值連鎖系統，當生產中丙烯中斷時，可表現在氧烯比過高。當氧烯比達到危險值時，FF—1111聯鎖相關電磁閥中斷反應器進料，進行緊急停車。
F） 設置了F1112L（氨烯比）低值聯鎖系統，生產過程中，如果氨中斷，可表現在氨烯比過低，當該值達到危險值時，F1112L聯鎖相應電磁閥，中斷R101進料，緊急停車。

2. 氨烯比（NH3/C3H6）
　　實踐證明：當氨烯比小于理論值時，會生成大量的丙烯醛、使AN的收率降低，并為后續精制工段帶來困難，易造成產品AN內含丙烯醛太高而造成產品不合格。反之，若NH3/C3H6過高，AN 的收率亦不增加，反而使NH3耗過高，加重了后處理急冷塔的負擔，同時增加了用于中和過剩NH3的硫酸消耗用量。

3. 氧烯比（AIR/ C3H6）
　　理論上講提高氧烯比有利于單收，中要原因是增加了催化劑的活性，但因為空氣中只有氧參與反應，因此，當AIR/ C3H6過大時，惰性氣體量（主要是N2）增加，混合氣體中的C3H6與NH3濃度相對降低，空氣過剩，降低了生產能力。但若過低，反映過程缺氧，從而引起催化劑的活性下降，甚至使催化劑失去活性而報廢。