多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器的復(fù)雜控制與應(yīng)用

夏長(zhǎng)松

(中國(guó)石油大慶煉化公司機(jī)電儀廠，黑龍江 大慶 163411)

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂。潘寶霞和賈朝陽以年產(chǎn)20kt聚丙烯裝置為例，介紹了聚烯烴后處理的關(guān)鍵設(shè)備擠壓造粒裝置的上游配料及計(jì)量加料系統(tǒng)、PID控制方案以及關(guān)鍵設(shè)備的選型[1]。楊海青等對(duì)聚丙烯粉末加熱器熱軸的泄漏原因做了分析，并對(duì)其進(jìn)行了改造，取得了良好的效果[2]。

Basell公司開發(fā)的多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器(MZCR)技術(shù)，即Spherizone工藝，采用氣相循環(huán)技術(shù)。其特點(diǎn)是不同的區(qū)域具有不同的工藝條件，即不同的反應(yīng)溫度、氫氣和單體濃度，能起到由其他工藝中多個(gè)氣相和環(huán)管反應(yīng)器所起的作用。在一個(gè)多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器中可以制備雙峰聚丙烯樹脂，同時(shí)可以獲得高度均一的多單體樹脂或雙峰均聚物。多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器是Spherizone聚丙烯工藝的核心，反應(yīng)器的精確控制和平穩(wěn)運(yùn)行是裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的保證。筆者以Spherizone工藝在中國(guó)石油大慶煉化公司二期30萬t聚丙烯裝置中的實(shí)際為例，介紹多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器技術(shù)中的反應(yīng)器壓力控制和汽提塔流量前饋串級(jí)控制方案，以及在DCS中的實(shí)現(xiàn)方法。

1 多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器的復(fù)雜控制①

多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器的復(fù)雜控制包括丙烯、氫氣和乙烯的進(jìn)料控制，反應(yīng)器的壓力、溫度和料位控制，汽提塔的控制，以及反應(yīng)器出料線的切換控制等。反應(yīng)器復(fù)雜控制的最終目的是保證反應(yīng)器內(nèi)物料的平衡，其中影響反應(yīng)器物料平衡的因素有：原料丙烯流量、回收丙烯流量和聚合物產(chǎn)量[3]。原料丙烯流量由反應(yīng)器壓力三沖量控制實(shí)現(xiàn)，回收丙烯流量的穩(wěn)定由汽提塔流量前饋串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)。

1.1 反應(yīng)器壓力三沖量控制

反應(yīng)器壓力的變化是液相丙烯進(jìn)入反應(yīng)器后，由溫度升高、液體汽化、體積迅速膨脹引起的，因此反應(yīng)器壓力控制的實(shí)質(zhì)就是控制反應(yīng)器內(nèi)氣相丙烯的含量。影響反應(yīng)器內(nèi)氣相丙烯含量的因素：一是氣相丙烯的消耗量，即聚合物產(chǎn)量；二是汽提塔液化的氣態(tài)丙烯量。反應(yīng)器壓力控制可以看作是一個(gè)三沖量控制(圖1)，反應(yīng)器內(nèi)丙烯含量是被控變量，即主沖量信號(hào)；聚合物產(chǎn)量和汽提塔液化丙烯量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。但實(shí)質(zhì)上三沖量控制系統(tǒng)是前饋加反饋控制系統(tǒng)，聚合物產(chǎn)量和汽提塔液化丙烯量是前饋信號(hào)，最終通過丙烯進(jìn)料流量控制回路調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的丙烯含量，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器壓力的控制。前饋-反饋壓力控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 反應(yīng)器壓力三沖量控制框圖

圖2 前饋-反饋壓力控制系統(tǒng)框圖

1.2 汽提塔流量前饋串級(jí)控制

如圖3所示，汽提塔由氫氣和乙烯兩個(gè)汽提塔組成，主要功能是回收丙烯、乙烯和氫氣。其中氫氣汽提塔頂部的換熱器用來液化從反應(yīng)器來的氣相丙烯，液化后的丙烯作為回收丙烯與乙烯和氫氣一同返回反應(yīng)器。丙烯液化是由氣相變?yōu)橐合嗟倪^程，回收丙烯注回反應(yīng)器是由液相到氣相的過程，如果這兩個(gè)過程中的丙烯量相等，氫氣汽提塔液位保持不變，則反應(yīng)器的壓力穩(wěn)定；反之，汽提塔的液位波動(dòng)會(huì)造成反應(yīng)器壓力的波動(dòng)。為了消除氫氣汽提塔液位的偏差，設(shè)置了汽提塔流量控制回路，如圖4所示。

圖3 回收丙烯流程簡(jiǎn)圖

圖4 汽提塔流量控制框圖

造成汽提塔液位波動(dòng)的原因是乙烯汽提塔液位的波動(dòng)，因?yàn)橐蚁┢崴何徊▌?dòng)會(huì)通過其液位流量串級(jí)控制回路傳遞給氫氣汽提塔。氫氣汽提塔液位的波動(dòng)則會(huì)通過其液位和流量串級(jí)均勻控制回路，引起去反應(yīng)器丙烯流量的變化。

汽提塔流量控制回路將反應(yīng)器內(nèi)的丙烯流量偏差通過熱量平衡方程轉(zhuǎn)換成熱量，控制換熱器熱量控制副回路以改變液化丙烯量，恢復(fù)氫氣汽提塔液位偏差。前饋控制用以克服氫氣汽提塔進(jìn)料量變化，將其作為前向通道來消除干擾。測(cè)量氫氣汽提塔進(jìn)料量最終還是要轉(zhuǎn)化為液化丙烯所需撤走的熱量，直接作用于熱量控制回路。

2 復(fù)雜控制在DCS中的實(shí)現(xiàn)

中國(guó)石油大慶煉化公司二期聚丙烯采用的是CS3000，該系統(tǒng)支持功能塊圖、順控圖、順控表和邏輯圖，同時(shí)有高級(jí)語言編寫功能，組態(tài)方便[4]。下面給出反應(yīng)器壓力控制和汽提塔控制在CS3000中的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 反應(yīng)器壓力控制

反應(yīng)器內(nèi)的氣相丙烯量是用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到的(將所測(cè)的反應(yīng)器壓力和溫度值代入理想氣體狀態(tài)方程，求得丙烯摩爾的量，再乘以丙烯分子量)，將此值與反應(yīng)器壓力和溫度設(shè)定值與計(jì)算出的丙烯含量進(jìn)行比較，得到偏差(即控制回路中的偏差信號(hào))。反應(yīng)器壓力控制如圖5所示。

圖5 反應(yīng)器壓力控制框圖

通過汽提塔內(nèi)液位的偏差可以計(jì)算出汽提塔中氣相丙烯含量的偏差。反應(yīng)消耗的丙烯，即聚合物產(chǎn)量，可以通過物料平衡計(jì)算得到；為了保證參數(shù)的平穩(wěn)，聚合物產(chǎn)量必須取其30min內(nèi)的移動(dòng)平均值。由于反應(yīng)器內(nèi)丙烯含量和汽提塔中氣相丙烯含量的單位是質(zhì)量，所以要除以一個(gè)時(shí)間常數(shù)，將單位轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的質(zhì)量流量。最終的原料丙烯流量設(shè)定值為以上3個(gè)流量之和。時(shí)間常數(shù)默認(rèn)為9min，即過渡期間為9min，以獲得一個(gè)漸進(jìn)的和穩(wěn)定的過渡過程。

反應(yīng)器壓力控制是在CS3000中用SFC功能塊，以Sebol語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)的，該程序每10s被執(zhí)行一次。具體代碼如下：

START:

*計(jì)算丙烯的需求，去補(bǔ)償反應(yīng)器壓力

%.C3MS_SV=(PIC2308.SV+1)*V/z/R/(TIC2311.SV+273.16)*42.1!kg

%.C3MS_PV=(PIC2308.PV+1)*V/z/R/(TIC2311.PV+273.16)*42.1!kg

%.C3_OS=(%.C3MS_SV-%.C3MS_PV)*60/%.TSS!kg/h

*計(jì)算丙烯在氫氣汽提塔中的量

%.T_SET_MS=(LIC2401.SV/100)*MR*410*pi*2.5*2.5/4.0!kg

%.T_PV_MS=(LIC2401.PV/100)*MR*410*pi*2.5*2.5/4.0!kg

%.C3_T241=(%.T_SET_MS-%.T_PV_MS)*60/%.TSS!kg/h

*計(jì)算丙烯消耗

%.C3FEED=FI3105.PV-FI5101.PV+FIC2101.PV+FIC2103.PV+FIC2109.PV+FIC2201.PV+FIC2202.PV

%.C3PURGE=FIC2402.PV+FIC3201.PV+FIC2414.PV+FIC2424.PV

%.GASBILPV=%.C3FEED-%.C3PURGE

%.C3FSS_PV=PRODR230_M.CPV*1000-%.GASBILPV

*計(jì)算2FIC2203的設(shè)定值

%.F2203SV=%.C3FSS_PV+%.C3_OS+%.C3_T241

IF(%.F2203SV<=60000.0 AND %.F2203SV>=0.0)THEN F2203SET.SV=%.F2203SV

END IF

delay 10000!延時(shí)10s執(zhí)行

GOTO START

2.2 汽提塔控制

丙烯進(jìn)料量是氫氣汽提塔的干擾通道，在實(shí)際應(yīng)用中，汽提塔入口丙烯流量是各分支丙烯量之和，根據(jù)生產(chǎn)單峰、雙峰樹脂的不同分為兩種流量計(jì)算方法，用選擇開關(guān)切換。圖6是在CS3000中用功能塊搭建的汽提塔流量控制回路，可以看出：換熱器的熱量控制器設(shè)定值是前饋和反饋之和。

丙烯流量乘以丙烯汽化潛熱，即丙烯液化所需熱量。氫氣汽提塔塔頂換熱器實(shí)際撤走熱量可

圖6 汽提塔流量控制回路框圖

以通過比熱容公式Q=cmΔt計(jì)算。如果熱量控制器的設(shè)定值和測(cè)量值相等即吸熱等于放熱(ΔQ吸=KΔQ放)，則擴(kuò)展后的公式為cm水ΔT水=Kλm丙烯，將其左右同時(shí)除以時(shí)間即得到cF水·ΔT水=KλF丙烯。其中c為水的比熱容；F水是夾套水流量；F丙烯是冷凝的丙烯流量；m為質(zhì)量；λ為操作壓力下丙烯的汽化潛熱；K為常數(shù)；ΔT水是換熱器出入口夾套水的溫差。

實(shí)際應(yīng)用中夾套水流量調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)閥，所以流量控制器和熱量控制器均為反作用。

3 結(jié)束語

中國(guó)石油大慶煉化公司二期30萬t/a聚丙烯裝置是國(guó)內(nèi)引進(jìn)的第二套Spherizone工藝聚丙烯裝置。通過對(duì)該裝置引進(jìn)技術(shù)的消化與吸收，裝置開工以來，多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器運(yùn)行平穩(wěn)，控制效果良好。同時(shí)也驗(yàn)證了反應(yīng)器復(fù)雜控制的正確性和可靠性。

[1] 潘寶霞,賈朝陽.20kt/a聚丙烯擠壓造粒裝置配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2011,38(1):46～48.

[2] 楊海青,王瑞,趙旭,等.聚丙烯粉末加熱器熱軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].化工機(jī)械,2010,37(5):652～656.

[3] 吳鋼良，田洲，王嘉駿，等.多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器中丙烯氣相聚合的模擬分析[J].化學(xué)工程，2011，39(6):79～83.

[4] 翁維勤，孫洪程.過程控制系統(tǒng)及工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:169～171.