乙烯裝置碳二加氫反應(yīng)器飛溫案例分析及對(duì)策

黃國金，史建波，張恒珍

(中國石油化工股份有限公司 茂名分公司,廣東 茂名 525000)

某公司乙烯2號(hào)裂解裝置采用中國石化與魯姆斯公司(LUMMUS)合作開發(fā)的乙烯專利技術(shù)，在分離系統(tǒng)采用前脫丙烷前加氫技術(shù)，在生產(chǎn)操作過程中，碳二加氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及操作對(duì)下游乙烯產(chǎn)品質(zhì)量和收率有著重要的作用，控制碳二加氫反應(yīng)器穩(wěn)定性是整個(gè)乙烯裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦反應(yīng)器發(fā)生飛溫或漏炔，分離系統(tǒng)將被迫停止進(jìn)料，大量物料排放火炬，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文針對(duì)該裂解裝置碳二加氫反應(yīng)器曾出現(xiàn)過的飛溫案例進(jìn)行剖析，從飛溫因素、飛溫機(jī)理、飛溫處理、以及如何避免飛溫等多維度進(jìn)行分析，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和其他同類裝置具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 碳二加氫工藝流程簡述

高壓脫丙烷塔TB-401塔頂氣相分別經(jīng)過碳二加氫反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器EB-402、EB-414、低壓蒸汽加熱器EB-403加熱后，進(jìn)入碳二加氫反應(yīng)器RB-401A～D脫除炔烴。從反應(yīng)器出來的裂解氣經(jīng)過EB-414冷卻,在第二干燥器VB-420中除去少量水分。經(jīng)EB-402，乙烯精餾塔中間再沸器EB-413冷卻、冷凝器EB-409冷凝后，再在高壓脫丙烷塔回流罐VB-401進(jìn)行氣液分離，含有C3的液相部分作為回流液返回TB-401頂部，氣相進(jìn)入冷箱EB-490DX，碳二加氫系統(tǒng)流程如圖1所示。

碳二加氫反應(yīng)系統(tǒng)由4個(gè)相同的炔烴反應(yīng)器串聯(lián)組成，正常生產(chǎn)時(shí)三段運(yùn)行，一段備用。碳二加氫反應(yīng)是在不與外界發(fā)生熱交換的絕熱反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)器出料均設(shè)置冷卻器，利用循環(huán)冷卻水冷卻。催化劑的活性使用進(jìn)料溫度控制，碳二加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)將最新的催化劑床層放到末端位置，各床層都設(shè)計(jì)了催化劑裝載和卸載的位置，催化劑裝填量為26.7 m3，碳二加氫系統(tǒng)入口和出口都設(shè)有在線分析儀表監(jiān)測CO和C2H2的體積分?jǐn)?shù)。反應(yīng)器入口溫度控制器分程控制冷卻器冷料及其旁路熱料兩股物料的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)反應(yīng)器入口溫度，每個(gè)反應(yīng)器還設(shè)有出、入口溫差監(jiān)測表，可以反映反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的程度。

2 飛溫案例分析

2.1 出口聯(lián)鎖閥故障關(guān)閉引起反應(yīng)器飛溫

2018年碳二加氫反應(yīng)器因出口聯(lián)鎖閥(UV-24004) 故障關(guān)閉，導(dǎo)致反應(yīng)器第三段出口溫度高高觸發(fā)聯(lián)鎖，前冷氣相進(jìn)料控制閥聯(lián)鎖關(guān)閉，后系統(tǒng)進(jìn)料中斷。

2.1.1 飛溫原因分析

針對(duì)該次反應(yīng)器飛溫的原因有著較大的爭議，主要有兩種不同意見： 一是系統(tǒng)憋壓，反應(yīng)器內(nèi)物料停留時(shí)間過長導(dǎo)致飛溫；二是C4組分進(jìn)入碳二加氫系統(tǒng)引起飛溫。筆者將從以下幾方面進(jìn)行分析：

1)反應(yīng)器床層溫度分析。從DCS歷史數(shù)據(jù)記錄來看，碳二加氫系統(tǒng)三個(gè)反應(yīng)段出口溫度的峰值出現(xiàn)明顯的錯(cuò)峰，溫度變化趨勢(shì)如圖2所示。一段出口溫度首先達(dá)到峰值102.0 ℃，8 min后二段出口溫度達(dá)到峰值175.7 ℃，再過6 min后三段出口溫度突然飛升到峰值268.7 ℃，從反應(yīng)器出口溫度曲線趨勢(shì)可以看出，一段、二段出口溫度快速升高時(shí)，三段出口溫度趨勢(shì)還是很平直的，如果碳二加氫反應(yīng)器是因?yàn)楸飰何锪贤Ａ魰r(shí)間過長引起，那么三個(gè)反應(yīng)段的出口溫度曲線趨勢(shì)應(yīng)該同步升高。由此看出，該反應(yīng)器飛溫原因不是憋壓導(dǎo)致物料停留時(shí)間過長引起。

圖1 乙烯2號(hào)裂解裝置碳二加氫系統(tǒng)流程示意

圖2 反應(yīng)器三段出口溫度變化趨勢(shì)示意

2)高壓脫丙烷塔頂溫分析。TB-401塔頂溫在4 min內(nèi)從-8 ℃升至0，此時(shí)該塔頂C4組分已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。查看回流泵PB-401出口的回流量，僅僅3 min內(nèi)由正常的48 t/h降至為0，而VB-401罐液位顯示一直大于50%。即使在備泵自啟動(dòng)雙泵運(yùn)行回流量仍然為0，且在之后的近30 min內(nèi)回流量仍然為0。

3)化學(xué)反應(yīng)分析。王飛[1]等人介紹了乙烯、乙炔加氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程主要與氫氣分壓有關(guān)，反應(yīng)速率與乙烯、乙炔分壓沒有太大關(guān)系，因此可以從化學(xué)反應(yīng)的角度考慮。即使反應(yīng)器總進(jìn)料量為零的極限情況下，反應(yīng)器床層無物料流通，那么反應(yīng)器里的氫氣總量是有限的，反應(yīng)器里乙炔消耗完、部分乙烯繼續(xù)發(fā)生加氫反應(yīng)，至氫氣消耗完所放出熱量也是有限的。而當(dāng)氫氣消耗完后，所有反應(yīng)即自行終止，此時(shí)再無熱量放出，不可能發(fā)生飛溫。根據(jù)該次飛溫現(xiàn)象分析反應(yīng)器總進(jìn)料量波動(dòng)趨勢(shì)，其質(zhì)量流量最低值為150.26 t/h，達(dá)到運(yùn)行負(fù)荷的70%以上，且持續(xù)時(shí)間僅為2～4 min，從空速低、物料停留時(shí)間過長這一因素，可以排除該反應(yīng)器飛溫原因不是因憋壓物料停留時(shí)間長引起的。

4)反應(yīng)器出口聯(lián)鎖閥前后壓力分析。UV-24004閥關(guān)閉后，TB-401塔頂壓力從2.18 MPa升高至2.66 MPa，為避免裂解氣壓縮機(jī)出口超壓，操作人員將碳二加氫第三段反應(yīng)器出口壓控閥保持一定開度，使整個(gè)碳二加氫系統(tǒng)具有一定流通能力。UV-24004閥后壓力從2.00 MPa降至1.00 MPa，VB-401罐頂壓力從1.93 MPa降至0.99 MPa，PB-401泵出口壓力隨之降至1.80 MPa TB-401塔頂和PB-401泵出口壓差巨大，導(dǎo)致無法正常輸送回流液到達(dá)塔頂，回流中斷導(dǎo)致塔內(nèi)大量C4組分從塔頂輸出并進(jìn)入碳二加氫反應(yīng)器中，最終導(dǎo)致反應(yīng)器飛溫。

2.1.2 避免飛溫措施

操作人員在遇到反應(yīng)器飛溫情況時(shí)，首先是檢查流程，在最短的時(shí)間里查找出故障閥門，并通過DCS查看各閥門顏色有無變紅或黃，根據(jù)閥門前后差壓大小，判斷出故障閥門后，立即通知操作人員到現(xiàn)場手動(dòng)打開故障閥門，中心控制室管理人員及時(shí)通知前后崗位做好應(yīng)急操作。針對(duì)該次反應(yīng)器出口UV-24004 閥故障全關(guān)，飛溫聯(lián)鎖事件，反復(fù)研究，認(rèn)為正確的處理思路和措施有以下幾點(diǎn)：

1)出口壓控閥保持關(guān)閉。通過裂解氣壓縮機(jī)四段出口壓力控制閥控制壓縮機(jī)出口壓力。如果手動(dòng)打開該反應(yīng)器第三段出口閥排放火炬，閥門開度越大，開的越早，發(fā)生飛溫聯(lián)鎖的概率越大，反應(yīng)器流通量越大，即從TB-401塔頂進(jìn)入該反應(yīng)器的物料越多，且含有大量的C4組分，物料全部流向火炬系統(tǒng)，有可能導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速失控。

2)壓縮機(jī)防喘振閥保持關(guān)閉。裂解氣經(jīng)VB-420干燥后返壓縮四段吸入罐VB-306的“五返四”防喘振閥FV-24061剛打開時(shí)，UV-24004閥后物料會(huì)優(yōu)先返回VB-306罐， TB-401塔頂回流更難，影響塔頂溫恢復(fù)時(shí)間。另外，當(dāng)VB-401罐壓力降至0.9 MPa后，VB-306罐物料會(huì)進(jìn)入0.6 MPa的前冷低壓系統(tǒng)，導(dǎo)致重組分污染前冷系統(tǒng)。

3)控制閥應(yīng)及時(shí)手動(dòng)關(guān)小。UV-24004閥故障關(guān)閉后，前冷系統(tǒng)進(jìn)料中斷，故應(yīng)及時(shí)關(guān)小前冷進(jìn)料控制閥，先建立VB-401罐壓力， TB-401塔頂回流才能建立。

4)各段入口溫度控制器全關(guān)。日常生產(chǎn)中，若該反應(yīng)器發(fā)生溫度波動(dòng)的概率較大，因控制閥故障、儀表假信號(hào)等因素，而在處理過程中如果原因判斷不夠準(zhǔn)確、及時(shí)，反應(yīng)器很可能就發(fā)生飛溫。因此，在故障處理中必須力保床層溫度不發(fā)生高高聯(lián)鎖而非保證出口C2H2氣體含量不超標(biāo)，應(yīng)果斷快速對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行降溫處理。

如果不能及時(shí)準(zhǔn)確判斷出原因，操作員應(yīng)快速動(dòng)作將各段入口溫度控制閥全關(guān)，即各段段間冷卻器處于最大冷卻狀態(tài)。

2.2 入口溫度異常升高引起反應(yīng)器飛溫

2021年該反應(yīng)器一段入口溫度的SP值從52.1 ℃直接設(shè)定為71.0 ℃，一段入口控制閥開度同步從23.5%快速打開至70.0%，反應(yīng)器二段入口溫度的SP值從52.5 ℃直接設(shè)定為70.5 ℃，二段入口控制閥開度同步從44.01%快速打開至95.01%，反應(yīng)器三段入口溫度的SP值從55.0 ℃直接設(shè)定為70.5 ℃，三段入口控制閥開度同步從78.5%快速打開至95.0%。由此看出，一、二、三段入口溫度控制閥開度越大，反應(yīng)器各段溫度升溫越高。當(dāng)該反應(yīng)器一段出口床層溫度為200 ℃時(shí)觸發(fā)高溫聯(lián)鎖，導(dǎo)致碳二加氫系統(tǒng)停車。

2.2.1 飛溫原因分析

1)DCS保護(hù)邏輯存在漏洞。DCS保護(hù)邏輯是先進(jìn)過程控制(APC)與DCS之間的安全屏障，在APC投用條件全部滿足的情況下，才將APC中間值輸出到底層PID位號(hào)，確保在安全的情況下實(shí)現(xiàn)APC控制。該裝置投產(chǎn)初期時(shí)碳二加氫系統(tǒng)APC控制器已被激活，但未投用，DCS將反應(yīng)器各段入口溫度設(shè)定值由52～55 ℃跳變到71 ℃，在APC總開關(guān)未投用情況下，模擬APC控制器激活下對(duì)分開關(guān)和APC中間值同時(shí)賦值，測試APC中間值。測試后發(fā)現(xiàn)APC中間值能夠穿透保護(hù)邏輯改寫DCS溫度設(shè)定值，說明該DCS保護(hù)邏輯存在漏洞，沒有判斷總開關(guān)是否處于投用狀態(tài)，導(dǎo)致在控制器未投用的情況下，將APC中間值對(duì)應(yīng)到PID設(shè)定值。

2)新鮮催化劑活性高。2021年5月該裝置在大檢修時(shí)更換了該反應(yīng)器催化劑，采用Pd/Al2O3負(fù)載，新鮮催化劑反應(yīng)活性高。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中乙炔、乙烯加氫反應(yīng)速率方程式可知，不考慮催化劑的失活，反應(yīng)速率與入口溫度上升呈指數(shù)型增長。

2.2.2 飛溫后處理

碳二加氫反應(yīng)器出現(xiàn)“飛溫”現(xiàn)象后，因催化劑為新鮮催化劑，需要將反應(yīng)器床層溫度降至40 ℃以下后方可開車，避免開車時(shí)床層有熱點(diǎn)再次發(fā)生飛溫；同時(shí)為減少大量物料排放火炬，在該反應(yīng)器聯(lián)鎖后，打開前冷進(jìn)料控制閥逐漸恢復(fù)前冷進(jìn)料。碳二加氫反應(yīng)器經(jīng)過置換約6 h后降溫合格，并通過了“燜床”試驗(yàn)， 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行高壓氮?dú)獬鋲褐?.8～2.0 MPa時(shí)，再引入裂解氣充壓至2.2～2.3 MPa，復(fù)位進(jìn)料，床層溫度沒有出現(xiàn)熱點(diǎn)現(xiàn)象，開車正常。

2.2.3 避免飛溫措施

1)要求DCS生產(chǎn)商完善DCS保護(hù)邏輯，嚴(yán)格控制回路權(quán)限管理，消除程序漏洞，保障APC正常應(yīng)用。同時(shí)在APC組態(tài)過程中通知工藝人員并會(huì)簽，避免造成生產(chǎn)裝置DCS工藝參數(shù)誤設(shè)，引起波動(dòng)。

2)設(shè)置反應(yīng)器入口快速降溫線。遇到飛溫情況，操作人員還可以通過TB-401塔頂旁路調(diào)整碳二加氫整個(gè)系統(tǒng)的入口溫度，利用TB-401塔頂-7 ℃～10 ℃的低溫物料加快對(duì)系統(tǒng)的降溫工作；或者將反應(yīng)器系統(tǒng)的EB-403可以設(shè)置為帶冷卻功能的換熱器，可通過增加技改線來設(shè)置一條降溫線。

3)增大碳二加氫系統(tǒng)流通量。為減少熱量繼續(xù)積累在床層形成床層熱點(diǎn)，加速反應(yīng)失控，在確保裂解氣壓縮機(jī)穩(wěn)定的情況下開大壓縮機(jī)循環(huán)量以增大碳二加氫系統(tǒng)空速和流通量，對(duì)反應(yīng)器降溫亦有較大的幫助。

4)縮小反應(yīng)器入口溫度的調(diào)整范圍。溫度是反應(yīng)器的重要控制參數(shù)，在乙炔濃度一定的情況下，進(jìn)料溫度若較高，催化劑床層熱點(diǎn)溫度也較高[4]，可能使催化劑床層溫度大幅度上升，副反應(yīng)得到加速，因此在日常控制中溫度必須控制在一定范圍內(nèi)，將一段入口溫度控制器輸出范圍從原來0～100%調(diào)整為0～60%，二段、三段入口溫度控制器輸出范圍從原來0～100%調(diào)整為0～80%，也可根據(jù)當(dāng)前工況改變上限值，避免入口溫度異常時(shí)閥門全開導(dǎo)致反應(yīng)器發(fā)生飛溫。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)是國內(nèi)首套采用前脫丙烷前加氫技術(shù)的裝置[6]。針對(duì)出口聯(lián)鎖閥故障關(guān)閉引起反應(yīng)器飛溫和入口溫度異常升高引起反應(yīng)器飛溫案例，分析原因并總結(jié)，得出飛溫主要?dú)w因于 C4 組分變化而非物料停留時(shí)間；反應(yīng)器反應(yīng)速率與入口溫度之間的指數(shù)增長有關(guān)。采取了及時(shí)手動(dòng)關(guān)小前冷進(jìn)料閥、完善DCS保護(hù)邏輯，縮小反應(yīng)器入口溫度的調(diào)整范圍等措施，對(duì)今后避免反應(yīng)器飛溫具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。