流化床丙烷脫氫工藝反應-再生系統自控方案優化

陳夢陽

潤和科華催化劑（上海）有限公司 （上海 201313）

近年來，隨著乙烯裝置原料輕質化，丙烯產能受限，丙烷脫氫（PDH）技術成為丙烯增產的新方向。投產的PDH 裝置大多采用LUMMUS 固定床技術或UOP 移動床技術。流化床技術也可用于丙烷脫氫，與前兩種技術相比較，具有投資低、流程短、控制簡單、能連續反應等優點[1]，應用前景廣闊。目前，只有Yarsintez 公司與Snamprogetti 公司共同開發的FBD技術實現了流化床脫氫工業化應用，但能耗偏高。潤和催化劑股份有限公司對FBD 技術進行深入研究，二次開發出的PropeNEXTTM丙烷脫氫工藝，具有能耗低、操作簡單等優點。

反應-再生系統是PropeNEXTTM工藝的核心，決定丙烯的產率及催化劑再生效果。為保證反應-再生系統高效、穩定地運行，設置性能穩定、響應快速、調控精準的控制方案是十分必要的。通過對FBD 工藝反應-再生系統自控方案進行問題分析，在設計PropeNEXTTM工藝自控方案時進行了優化。

1 反應-再生系統工藝流程

PropeNEXTTM反應-再生系統流程與FBD 工藝基本相同，而且反應器、再生器采用更加先進的立管提升-斜管輸送技術。系統主要由反應器、反應氣三級旋風分離器（反應三旋）、丙烷進料換熱器、取熱盤管、再生器、再生氣三級旋風分離器（再生三旋）、進料加熱爐、主風機、滑閥等組成（見圖1）。反應、再生是連續的過程。

圖1 PropeNEXTTM 反應-再生系統工藝流程

丙烷原料在反應器取熱盤管預熱至137 ℃后，被進料加熱爐加熱至590 ℃送入反應器，與高溫再生催化劑逆流接觸生成丙烯，丙烯油氣通過反應三旋、丙烷進料換熱器后送至急冷/水洗塔。待生催化劑表面結焦、活性不足，送再生器燒焦、再生。高溫再生催化劑通過再生斜管及再生滑閥返回反應器循環利用。主風機為催化劑燒焦、再生提供助燃空氣，此過程產生的煙氣經過再生三旋后送至廢鍋，最終排入大氣。

2 FBD 工藝反應-再生系統控制方案問題分析

FBD 工藝反應-再生系統的控制圍繞著反應器溫度、藏量，兩器壓差等變量進行（見圖2）。據調研，已投產的12 套FBD 工藝裝置，普遍存在反應-再生系統運行不穩定，調節回路超調幅度大、震蕩周期長，能耗高等現象。經過分析，該工藝控制方案存在下述問題。

圖2 FBD 反應-再生系統控制方案

（1）反應器溫度控制，操縱量選取不當，反應溫度超調嚴重，震蕩周期長。脫氫反應是強吸熱過程，反應器溫度主要通過再生器內的再生催化劑帶熱維持。高溫再生催化劑經過再生管、提升立管循環至反應器密相段，其輸送動力來源于兩器的壓差和提升氣。由圖2 可知，該方案控制分兩部分：一是反應器密相段溫度-提升氣流量串級控制回路，二是手動操控再生滑閥的開度。由于催化劑循環帶熱量取決于再生滑閥的開度，當溫度異常時，須先手動改變滑閥開度進行粗調，同時利用溫度-流量串級回路進行微調。該方案對操作工的經驗依賴很大，須精準操作再生滑閥的開度，否則會造成反應器迅速失溫或超溫。鑒于溫度是時滯性極強的變量，溫度-流量串級調節回路此時基本無調節溫度的能力。隨著時間的推移，反應器密相藏量逐漸異常，此時必須改變待生滑閥的開度，以維持兩器催化劑的物料平衡。藏量與溫度相互影響，通過人工手段很難在短時間內取得立竿見影的效果。人工干預多，造成調節周期長、超調幅度大、系統不穩定，影響正常生產，嚴重時可能導致裝置停車。

（2）反應器密相段藏量與反應器溫度控制原理基本相同。反應器密相段藏量也間接反映溫度特征，藏量還有料封的作用，防止兩器逆流、再生主風竄氣引起事故。

（3）再生器、反應器兩器壓差控制雙動滑閥會導致兩器均偏離各自的壓力設定值。兩器壓差應是裝置設計決定的，再生器、反應器應處在各自壓力平衡中，大幅度波動將影響催化劑跑損和再生效果，對裝置能耗和安全運行產生威脅。

（4）再生器密相段溫度控制采用單閉環回路，響應時間長，調節品質差。溫度波動大可能導致催化劑燒結失活或燒焦不徹底，進而導致催化劑損耗增加或丙烯轉化率降低。

（5）取熱盤管缺少必要的流量均勻分配控制手段。反應器共設置4 組取熱盤管，完全對稱布置，僅依靠各分支管線自動等量分流，對配管的對稱要求極高。在裝置實際運行中，4 組盤管相互搶流嚴重，流量分配不均，甚至引起偏燒，損壞盤管。損壞的盤管棄用后，各取熱盤管所處的溫度場發生變化，致使結焦增加，嚴重時需停車處理。

3 反應-再生系統控制方案優化

流化床脫氫是一個復雜的氣固動態過程[2]，給控制方案的制定帶來極大的挑戰。針對FBD 反應-再生系統自控方案存在的問題，對PropeNEXTTM工藝反應-再生系統控制方案提出了技術改進措施。

（1）反應器溫度、藏量設定為被控變量，引入滑閥兩端壓差控制作為第二被控變量，取再生或待生滑閥的開度為操縱變量；同時，提升氣流量，采用單回路定值調節。具體方案如下：反應器密相溫度、再生滑閥兩端壓差設置低選約束，與再生滑閥構成溫度-差壓低選控制；反應器密相藏量、待生滑閥兩端壓差設置低選約束，與待生滑閥構成藏量-差壓低選控制。鑒于溫度、藏量控制原理基本相同，現以溫度為例進行說明（見圖3）。

圖3 溫度調節回路方案

當再生滑閥兩端的壓差在設定范圍內時，該回路為溫度單閉環調節。溫度偏高，再生滑閥開度減小；溫度偏低，再生滑閥開度增大。如果反應器溫度偏離設定值過大，使調節功能失效，則觸發溫度低報警或轉入手動模式，需要立即采取有效的人工干預措施糾偏。若反應溫度急劇下降，則觸發三取二溫度低低聯鎖，迅速切斷反應-再生系統，以保障裝置的安全。

當再生滑閥兩端壓差低于設定容忍值時，由差壓控制器暫時取代溫度控制器調控再生滑閥的開度，改善閥兩端的壓差，以保證催化劑的正常流化、循環。為避免反應器溫度或滑閥兩端壓差在運行過程中出現大幅度波動，影響裝置的穩定運行，本控制回路對溫度和壓差調節器的輸出信號均作高低限幅處理，過濾掉偏離設定值過大的信號。滑閥接收到的控制信號介于高、低限幅范圍內，降低了再生滑閥動作的幅度和頻率，提升了回路控制的品質和精度，有利于裝置的安全、穩定、低耗運行。

一定工況范圍內，反應溫度、再生滑閥的低選控制可視為正常工況與聯鎖停車之間的緩沖措施，一定程度上避免了直接觸發安全聯鎖、造成系統停車，減少了因停車帶來的經濟損失，同時也保障了裝置平穩、高效地運行。

（2）取消反應器、再生器的壓差控制，只設置兩器壓差報警、跳車聯鎖。反應器、再生器分別設置獨立的壓力調節手段，并使兩器壓力差設定在10 kPa左右。在水洗塔塔頂設置壓力調控并結合氣壓機轉速等手段維持反應壓力的穩定。通過操縱雙動滑閥的開度使再生壓力維持在設定值。兩器壓差可在允許范圍內波動，若壓差出現嚴重偏離，則聯鎖關閉再生滑閥、待生滑閥以切斷兩器之間的聯系。

（3）將燃料氣流量引入再生器密相溫度控制方案中，設置溫度-流量串級調節回路。再生器溫度波動大、調節頻繁可能造成燒焦效果差，嚴重時造成催化劑的水熱失活[3]。該方案減緩了溫度的時滯特性帶來的危害，提升了該回路的調節品質，使再生器溫度更加穩定、平順，避免了不良后果的發生。

（4）反應器4 組取熱盤管分別設置單閉環流量調節回路，雖各組間流量仍會相互影響，但各組流量基本相同，避免了引流量過分不均導致的盤管偏燒并損壞的問題，降低了停車風險。該方案借鑒催化裂解裝置的成熟經驗，應用效果良好。

4 結語

反應-再生系統的控制方案是PDH 裝置最復雜、最棘手的技術問題之一，設計不合理會極大地制約整個裝置運行的穩定性、安全性。目前，PropeNEXTTM丙烷脫氫工藝在中東已經實現工業化應用，反應-再生系統運用上述優化的自控方案，通過對反應器各變量進行合理的優化控制，有效地解決了反應-再生系統運行不穩定、生產效率低、能耗高、停車頻繁的難題，保障了反應-再生系統的安全、穩定、高效運行，取得了預期效果。