EO反应系统关键控制方案分析与设计

EO反应系统关键控制方案分析与设计史结清，陈真生 杨继华浙江中控技术股份有限公司杭州310013摘要: EO反应系统是环氧乙烷/乙二醇(EOEG)装置的核心，本文结合SD公司EO反应系统的工艺，重点阐述了反应器汽包压力控制，反应进料系统中各组分的浓度控制及流量跟踪差报警控制，循环气压力控制等几个复杂且关键的控制方案。关键词: EOEG，反应系统，跟踪差报警控制，采样控制Analyze on the Control Scheme for Ethylene Oxide Reaction SystemShi Jieqing, Chen Zhensheng, Yang JihuaZhejiang SUPCON Co. Ltd, Hangzhou China 310053Abstract: The EO reaction system is the core of the Ethylene Oxide Ethylene Glycol plant (EOEG). This paper According to the process of the EO reaction system. particularly elaborated several complex and pivotal control schemes such as the pressure coordinated control of the reactor vapor drum, the sampled-data control of the materiels concentration in the reaction feed system, the flow tracking differential alarm control of the reaction feed system, and the multi-assistant loop control of the circle gas pressure etc.Keyword: EOEG, reaction system, three impulses control, tracking differential alarm control, sampled-data control前言环氧乙烷(简称EO)的主要用途是生产乙二醇(简称EG)，国内环氧乙烷与乙二醇大多为联产装置，简称EOEG装置。目前，世界上的EOEG装置普遍采用氧气氧化法，即采用纯氧和乙烯为原料，氧化反应生成环氧乙烷、环氧乙烷水合生成乙二醇的工艺路线。世界上在氧气氧化法技术中占有市场份额较大的公司有Shell、DOW和SD三家5。EO反应工段为EOEG装置的核心，在安全操作限度内维持反应变量的设定值，保证EO的产量与收率，为该工段的主要控制目标2。在反应器的设计条件下(催化剂的容积、负荷、停留时间)，为了达到预定的产量和收率，需要控制给料气体的流量、入口气体的温度、入口气体的压力及混合气体各个组分的浓度，并通过锅炉系统移走多余的反应热以维持反应温度3。1. EO反应工段的工艺EOEG装置反应系统的工艺流程如图1所示，循环气压缩机出口的贫循环气首先与新鲜乙烯和甲烷在管道中混合。此后，气体物流进入氧混站，并导入新鲜氧进料，在加入抑制剂后进入预热单元（气气换热器）与EO产物气体进行热交换预热混合气。预热后，混合气进入列管式反应器，其中乙烯和氧气在催化剂作用下进行放热反应，部分乙烯转化生成环氧乙烷5。反应热由反应器壳程中的沸水移走，水循环通过热虹吸来实现，反应放热使列管外的水沸腾汽化生成蒸汽。离开反应器壳程的水和蒸汽两相混合物进入反应器汽包，水和蒸汽在此分离，水被送回反应段壳层循环使用，而汽包上方引出蒸汽被送到高压蒸汽管网，锅炉给水预热后补充至汽包。含有产物EO的富循环气从反应器流出，经过反应器/气体冷却器底部管程的沸水冷却，富循环气进入气气换热器壳程进行冷却，同时为反应进料气加热。冷却后的富循环气经过洗涤塔塔底进料/换热器(E115)冷却后流入洗涤塔，在洗涤塔的洗涤段，富循环气中的环氧乙烷被贫循环水吸收，再进入预饱和段、接触段进行吸收和冷却，贫循环气，送到洗塔底部的循环气KO罐，清除夹带的液体后输送到循环压缩机。 图1 EO反应工段工艺流程及进料系统控制回路图甲烷作为一种致稳剂加入到循环物流中，可以提高可燃极限以及氧在反应器进料中的允许浓度。通常甲烷首先进入再生塔进料闪蒸罐，用来帮助回收乙烯，然后经回收气体压缩机增压后进入循环气系统，当回收气体压缩机不运行时，甲烷经甲烷压缩机加压后进入系统，可用于反应系统的最终加压。2. EO反应进料系统的控制循环的EO反应过程，进入反应器的混合气由循环气和新鲜原料气混合形成，循环气的主要组份有乙烯、氧气、环氧乙烷、二氧化碳、水、氮气、氩气、甲烷、乙烷等。循环气中各组分的浓度，及循环气在反应器的停留时间，直接体现了当前反应过程的转化率及选择性6。2.1 氧气与乙烯浓度采样控制实际生产过程中乙烯与氧的配比一定要在爆炸限以外，同时必须控制氧气的浓度在合适的范围内，过低时催化剂的生产能力小，过高时反应放出的热量大，易造成反应器的热负荷过大，产生飞温。氧气的浓度控制方案如图2所示，循环气中氧气的浓度主要靠调节氧气进料流量实现，循环气氧气浓度调节回路AC15B与氧气流量调节回路FC16构成串级调节。氧气增加的消耗量Ro再乘以前馈增益C2作为主回路AC15B的输出补偿，也就是前馈信号，其中前馈增益C2需在回路调试时调整，氧气增加的消耗量Ro由质谱仪软件经过计算得出。此外，因氧气的危险性，在自动控制中，氧气浓度回路AC15B的设定值及氧气流量回路FC16的设定值都加以限幅，避免增加过快。图2 氧气的浓度方框图氧浓度检测具有很大的滞后性，使用常规PID控制器对被控参数偏差的控制作用又不能适时的反映出来，以致造成控制过头，引起过程超调严重，为此该氧气浓度控制器AC-15B用采样控制器。采样控制器采用“调一调、等等看”的方法，即当控制器调节一段时间后，就不再调整，保持原输出值，直到控制作用的效果在被控量的变化中反映出来，然后再根据偏差的大小与被控量的变化决定下一步的控制动作。采样控制的动态特性如图3所示，当控制器具有积分作用，处于控制区Tc内时，控制器进行正常的控制运算输出；当处于保持区Th内时，控制器停止运算，输出保持不变。这是一种断续的控制方式，它无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控变量中纯滞后对控制带来的不利影响，但是必须注意此时采样控制保持时间的选取应略大于过程的纯滞后时间9。图3 采样控制的动态特性示意图循环气中乙烯的浓度主要靠调节新鲜乙烯进料流量实现，循环气乙烯浓度调节AC15A与乙烯流量FC18构成串级调节。乙烯增加的消耗量做前馈信号，控制方案与氧气浓度控制类似。2.2 流量跟踪差报警控制为防止氧气浓度过高，氧气进料流量与循环气流量都还设置了跟踪差报警系统，该系统的特点为，报警设定值仅按一个方向变化。氧气进料流量设上限跟踪差报警，报警设定点只能下降，不可上升，目的就是不允许氧流量大量增加。图4 氧气流量联锁报警示意图氧气流量跟踪差报警设定点与工艺变量的关系如图4所示。如果氧气流量下降，其报警设定值等于实际流量乘以大于1的固定系数（如115%）而且不可超过原最高值。而当氧气流量上升时, 其报警设定值保持在原值不变(除非按下复位按钮)。如果按下氧气跟踪差报警的复位按钮，可将报警设定点重新设置为实际流量的115%，当这个按钮被释放时，报警点设置完成。如果实际流量上升到报警点，将触发报警并联锁停车1。与氧气流量跟踪差报警相反，循环气流量设下限跟踪差报警，其目的是不允许循环气流量大量降低，从而保证氧气浓度不超限。2.3循环气的压力调节循环气在反应器的停留时间通过调节循环气压力来实现，致稳气甲烷的流量用来调节循环气压力。在图1中，甲烷的浓度AC15D与循环气压力PC18都是通过与甲烷流量调节构成串级控制来实现的。甲烷流量有两个流路可选择，即甲烷去回收压缩机流量FC34与甲烷压缩机出口FC15流量。DCS设选择开关FSS18，选择AC15D、PC18的其中之一作为主回路，再选择FC34、FC15的其中之一作为副回路，或FC34、FC15都作为副回路同时调节，没被选择的副回路作为手操调节。循环气的压力与甲烷的浓度调节的控制方框图如图5所示：图5 循环气的压力与甲烷的浓度调节的控制方框图该控制方案中的主回路AC15D与PC18也用采样控制器，因FC34与FC15的特性不同，当它们分别作为副回路时，主回路的控制参数及采样参数也不一样，因此主回路AC15D与PC18必须至少预先储存3套控制参数及采样参数，分别对应3种副回路的切换方案，以便于回路切换时自动调出。3. 反应器汽包压力控制EO反应温度是影响反应选择性和转化率的主要因素。EO氧化反应在反应温度很低时，反应产物几乎全是环氧乙烷，但反应速率很慢，转化率很低。随着温度升高，转化率增加，选择性下降，在温度超过300时，产物儿乎全是二氧化碳和水。此外，温度过高还会导致催化剂的使用寿命下降。权衡转化率和选择性之间的关系，以达到环氧乙烷的收率最高，工业上一般选择反应温度在2202607。EO反应属放热反应，其反应热被管外锅炉水所吸收，通过控制反应器汽包压力来控制锅炉水温，进而由锅炉水温来控制反应器的反应温度。此外，汽包压力控制还需考虑反应初期至末期汽包压力的变化，通过汽包压力控制使压缩机透平蒸汽压力大致稳定8。 图6 反应器汽包压力控制流程图反应器汽包压力控制流程图如图6所示，反应器汽包压力由两个阀门进行协调控制，大口径调节阀HV11进行粗调，小口径调节阀PV11，由压力调节回路进行细调。对于大量程的蒸汽流量，小口径调节阀PV11的调节能力有限，需要投入大口径调节阀HV11来配合。调节器HC11并非PID调节，而是根据调节阀PV11是否会失去调节能力来判断其输出的变化。PV11与HV11的协调关系可用图7的顺序图来表示：图7 大小阀门协调控制示意图图7中，如果汽包压力降低，PV11关小。如果PV11在N秒时间内持续在20%以下，这时减小大阀HV11的开度，以免PV11继续关小而全关。当HV11的关小到某个值后，汽包压力将随之上升，PV11在调节器PC11的作用下回到20%80%之间，这时HV11就保持不变。反之，如果汽包压力升高，PV11在N秒时间内一直在80%以上，此时HV11自动开大，使PV11回到20%80%之间。HV11变化的开度可用公式HV11=(PV11-50%)*C3计算得出。需要说明的是调节周期N与系数C3需要在回路调试时调整。通过HV11与PV11两个口径不同的调节阀的协调调节，可对较大量程的蒸汽流量做到精确的控制，从而将反应器汽包压力控制稳定，进而稳定反应器的温度。4. 结束语在EOEG 装置的EO反应系统中，利用以上提出的采样控制，跟踪差报警控制，主回路和多个副回路结合选择串级控制和不同口径调节阀的协调控制等方案，能有效解决氧气和乙烯浓度控制滞后问题；氧气浓度安全问题；循环气压力控制稳定问题，以及反应器汽包压力稳定问题。通过这些控制方案再配合相应的停车联锁方案，最终实现了EOEG 装置核心部分EO反应系统的安全、稳定和高效的运行。参考文献：1S.S.STERN, SUMMARY REPORT COMPARING THE TRADITIONAL AND REYISED CONTROL SCHEMES FOR THE MULTIEFFECT GLYCOL EVAPORATOR TRAIN, HELCON, SD GROUP NOV.19822戴忻，刘定华，刘晓勤，马正飞，姚虎卿；环氧乙烷的吸收与催化水合法制乙二醇 -石油化工；2004年04期3孙帆； 钱锋；乙二醇生产过程中环氧乙烷浓度的软测量研究 -计算机与应用化学；2010年01期4王骥程，祝和云；化工过程控制工程；1995年5月版5张翔宇；环氧乙烷/乙二醇工艺技术比较 -化工设计；2006年03期6线引林，虞爱如，富宜华；空气中环氧乙烷的气相色谱分析和配气方法探讨-卫生研究；1980年04期7尹成强，张雷鸣，高洁； 环氧乙烷反应器子系统的改进控制研究 -