UOP和Axens連續重整裝置催化劑提升控制系統的分析和比較

白丹江，蔡明件，王丁

(金澳科技(湖北)化工有限公司，湖北 潛江 433132)

連續重整裝置的反應再生控制系統十分復雜，連續重整技術被美國UOP和法國Axens兩家公司長期壟斷。本文結合UOP和Axens兩家公司各自的技術特點，對其中至關重要的子系統-催化劑提升控制系統進行了分析對比，為裝置的穩定運行及優化操作提供參考。

1 UOP和Axens提升技術對比

1.1 提升設備

UOP提升技術的核心設備是L閥，由立管和水平短管組成。由L閥的結構可知，少量的二次氣就能使得水平管內催化劑被迅速流化，二次氣流量的增大可能會導致立管發生氣體倒串，立管內的催化劑下落受阻，針對該問題，UOP給所有L閥的二次提升氣均設計了流量控制，確保在工藝波動的情況下，能及時響應調節二次氣流量[1]。

Axens提升技術的核心設備是發送罐。該發送罐輸送催化劑的原理和L閥一致，但結構比L閥復雜得多。為實現催化劑的輸送，需要吹入大量的二次氣將插入罐內的提升管喇叭口下緣四周待提升的催化劑松動(流化)。由于該罐占用空間較大，正常操作中罐內存有較多的催化劑，罐內提升管大部分被深埋在催化劑中，二次氣流量的增大不會阻礙催化劑的正常下落和影響其提升。所以Axens提升方案的二次氣均沒有單獨設流量控制。

1.2 特殊計算模塊

催化劑在提升管內加速上升的過程中，為減少磨損，需控制其在提升管內的流速。該流速由總提升氣流量(一次氣與二次氣流量之和)決定。總提升氣流量主要受到提升氣相對分子質量、溫度和壓力等因素的影響，如果提升氣相對分子質量降低或溫度升高，壓力降低，那么提升氣的密度也隨之降低，在維持催化劑提升速度不變的情況下，所需的總提升氣流量也會降低。此時，如果不調整總提升氣流量的設定值，將導致實際的總提升氣流量大于需要的總提升氣流量，催化劑移動加快，磨損加大[2]。

為能方便直觀地調整總提升氣流量的設定值，防止催化劑過度磨損，Axens在其提升控制系統中嵌入了一個總提升氣流量計算模塊。操作人員首先在DCS中輸入相關參數，然后計算機自動算出所需總提升氣的流量，結果顯示在DCS對應的流量控制器界面中，最后操作人員決定是否采用該數值修改相應流量控制器的設定點。

UOP的提升控制系統沒有類似模塊，UOP認為只有當進料組分或者產品苛刻度發生明顯變化時，才可能需要考慮調整總提升氣流量的設定值，上述因素的改變對催化劑提升或磨損的影響并不大。

1.3 提升次數

UOP與Axens提升技術方案對比見表1所列。

表1 UOP與Axens提升技術方案對比

續 表 1

注： 1) 為方便對比，各提升線路用英文字母表示；同一字母后面的數字下標表示提升控制方案類似但提升路線不同。

表1中可以看出，隨著裝置大型化的要求，為降低反應再生系統裝置框架高度，UOP調整了反應再生系統設備的布置，催化劑提升總次數由早期的3次發展到現在的6次，而Axens開發的并列式重整工藝不存在反再框架過高的問題，催化劑提升次數一直都維持在5次。

1.4 提升控制方案比較

1.4.1UOP提升線路B和Axens提升線路E比較

UOP提升線路B和Axens提升線路E的控制非常重要，它們直接控制了催化劑的循環速率。

1)UOP提升線路B的控制步驟：

a)操作人員輸入期望的循環速率。

b)系統根據該值自動計算差壓控制器的給定值。

c)調整斜坡速率，控制二次風量，使得該差壓控制器的設定值SP從初始值0逐漸緩慢提高到給定值。

d)系統根據實際的閉鎖料斗循環時間和開工標定的閉鎖料斗裝載量計算出實際的循環速率。

e)實際的循環速率與期望的循環速率相比較，如果實際的循環速率大于期望的循環速率，說明閉鎖料斗循環時間較短，提升速率較快，系統將差壓控制器的給定值下調；反之，實際的循環速率小于期望的循環速率，說明閉鎖料斗循環時間較長，提升速率較慢，系統將差壓控制器的給定值上調，直到實際的循環速率等于期望的循環速率。

2)Axens提升線路E的控制步驟：

a)操作人員根據手冊推薦范圍和個人經驗直接輸入差壓控制器的給定值。

b)系統自動修正該給定值，將修正值作為差壓控制器的給定值。

c)等待到系統計算出實際的循環速率。

d)如果經人工判斷后，實際的循環速率與期望的循環速率一致，那么該修正值不需要調整；如果不一致，返回步驟a)，如此往復，直到摸索出與期望的循環速率相匹配的給定值。

3)比較。UOP提升線路B和Axens提升線路E總體控制思路是一致的，兩者均圍繞差壓控制器給定值的輸入和修正做比較，具體實施路徑各有特點：

a)對于壓差給定初值的輸入，UOP比Axens更直觀，Axens需要操作人員預估，而UOP內置了一次提升氫氣/一段還原氣差壓和循環速率匹配的數據庫，輸入循環速率便可得到壓差值。

b)對于差壓給定值的修正，Axens和UOP的理念不一樣。Axens認為再生器底1號提升器溫度波動是影響催化劑提升速率的主要干擾因素，因此Axens構建了一個復雜的溫度函數來修正該給定值。而UOP則是通過直接比較實際循環速率和期望循環速率的偏差來調整差壓給定值。雖然表面上看來UOP對壓差給定值的修正方式符合常規的操作思路，更容易使人理解，但上述2種修正方式是UOP和Axens根據各自再生系統的特點開發出來的，并不存在孰優孰劣的問題。UOP的閉鎖料斗容量小，屬于少量多批次移動，系統每隔約3 min就可以計算出實際循環速率，然后和期望速率相比較來確定是否調整壓差給定值，響應很快。而Axens的閉鎖料斗裝載量大，系統每隔1 h左右才能計算出實際循環速率，所以如果Axens采用UOP的控制方案，則存在時間滯后的問題，將導致控制不及時，最終影響產品品質。通過對比UOP和Axens再生器的結構不難發現，Axens的再生器內沒有設冷卻段，從再生器底流出的熱催化劑主要依靠不做保溫的料腿被動散熱，這就導致進入1號提升器的催化劑溫度不受控，而提升器的溫度波動又直接影響到催化劑的提升速率(即循環速率)。所以，這可能是Axens選擇將該溫度變量與循環速率關聯的一個原因[4-5]。

另外需要指出的是，為維持系統差壓的穩定，UOP設置了斜坡函數，將提升線壓差緩慢爬坡到給定值，控制非常精細。Axens沒有設置斜坡函數，略顯簡單。

1.4.2UOP提升線路A1～3和Axens提升線路D1～4比較

UOP提升線路A1～3和Axens提升線路D1～4屬于常規的催化劑提升控制方案，比較簡單。總體上看，兩者基本類似，核心是料位加差壓串級控制。但由于UOP選用L閥作為提升設備，根據L閥的操作特點，UOP增設了流量控制，變為料位加差壓加流量雙串級組合控制。同樣，為維持反應器底部催化劑收集器與L閥之間差壓的穩定可控，UOP也設置了斜坡函數，即催化劑提升速率限制器，通過調整提升線壓差變化率，使得提升線壓差平緩上升。此外，UOP進一步將斜坡函數信號和料位信號結合組成選擇性控制，系統用低選信號去設定提升線差壓的給定值，此舉有利于開車和再生系統重啟的平穩操作[6]。對于二反至三反間催化劑的提升，考慮到在某些情況下，二次提升氣和置換氣壓差過高導致催化劑不能順利下落，UOP單獨為提升線路A2增設了批量模式，增加了操作的靈活性。

1.4.3UOP提升線路C

UOP提升線路C專用于再生器底部L閥至再生催化劑分離料斗線路催化劑的提升控制，該線路的控制不能簡單套用提升線路A的方案——采用料位作為主回路，主要有兩個原因： 如果采用提升線路A的方案控制待生催化劑分離料斗料位，那么意味著放棄對再生催化劑分離料斗料位的控制，一旦再生催化劑分離料斗料位過低，閉鎖料斗分離罐氫烴環境與再生器氧環境將面臨隔離失效的風險；如果采用提升線路A的方案去控制再生催化劑分離料斗料位，又會對再生器內催化劑的燒焦控制等產生不利的影響。實際上，隨著閉鎖料斗的裝/卸料的進行，再生催化劑分離料斗料位呈現出等幅周期性震蕩的規律，該料位不需要時刻保持在某個固定位置上。而提升線路A控制方案的目的恰恰就是維持料位的相對穩定，這就會使得再生催化劑提升速率時大時小，從而破壞了再生器內催化劑的正常流動速率，為了使再生器內催化劑燒焦、氯氧化、干燥和冷卻能平穩控制，需要將再生器內催化劑移動速率保持在一個常數。

由UOP提升線路C方案的要點可知，UOP直接將提升線路C的差壓給定值和循環速率，即催化劑流量控制器的輸出關聯并做了一定的修正，催化劑提升比可以看做校正因子。在正常操作中，該提升線差壓控制器的給定值不隨再生催化劑分離料斗料位的周期性波動而劇烈改變，提升速率相對恒定，從而保證了再生器內催化劑移動速率的恒定。

1.4.4冷態模式提升

蔣國權[7-9]等人對于UOP冷態模式提升有詳細的描述，這里簡單介紹UOP冷態模式提升的主要特點。第一，反應器內的催化劑不提升至再生系統，即待生催化劑分離料斗僅在反應器外執行批量間歇循環，見表1中的提升線F1～3；第二，為方便控制提升總量，反應器底催化劑收集器至L閥的退劑線上設有2臺循環開關閥以及1段變徑長管用于存儲待提升的催化劑；第三，冷態模式提升速率始終恒定，不受還原段或緩沖段料位的影響，提升線上僅設壓差指示器用于判斷提升狀態。

UOP冷態模式提升的優點是反應器內催化劑移出量可控且整個過程由相應的程控系統完成，操作簡潔。但缺點也很明顯，該冷態模式提升使用后，破壞了一反到四反內催化劑的積碳分布，使得原先本應去再生系統結焦的催化劑在反應部分重新開工時仍滯留在反應器內再次參與反應，從而引發該催化劑的二次結焦。

不同于UOP，Axens沒有設專用的冷態模式提升線以及相應的控制系統，而是借用了已有的催化劑提升線路D1～4和E用于反應器在冷卻期間或其他非計劃停工下催化劑的間歇批量轉移輸送，整個過程需手動完成，步驟非常繁瑣，這里不再贅述。其特點主要有： 提升線路與正常生產時催化劑輸送線路完全一致，由于提升線路沒有改變，所以不存在催化劑二次結焦的風險；與UOP用固定體積的變徑長管控制單次提升量的設計思路類似，Axens以固定體積的提升罐空罐作為每次提升的結束條件。

2 結束語

UOP和Axens提升技術對比有以下幾個不同的方面：

1)與發送罐相比，L閥結構簡單，制造方便，占用空間小，對催化劑磨損小，但對催化劑提升控制稍顯復雜，二次提升氣要增設流量控制。

2)Axens比UOP多1只總提升氣流量計算模塊，方便操作人員及時調整總提升氣流量給定值，有利于減少催化劑磨損。

3)正常操作中，Axens重整工藝的催化劑提升次數比UOP多，但提升控制系統比UOP簡單。

4)因閉鎖料斗系統和再生器的結構不同，Axens和UOP在控制催化劑循環速率，即再生催化劑提升速率的方案也不同，各有千秋。

5)對于常規維持料位穩定的催化劑提升控制方案，UOP和Axens的做法基本類似，但UOP針對L閥的特點以及不同的操作工況，引入了斜坡函數、選擇性控制系統和批量模式操作，控制更細致，相比之下，Axens僅僅是單串級控制，仍有改進優化的空間。

6)UOP在再生器和再生催化劑分離料斗之間增加了提升線路C，雖然降低了再生系統的高度，但提升控制系統變得更加復雜。

7)對于冷態模式提升，UOP引入了自動控制，操作上明顯優于Axens。雖然其方案容易導致催化劑二次結焦，但因催化劑循環量不大，催化劑二次結焦影響可控，所以整體上看，UOP仍占優。