多区循环反应器的复杂控制与应用

夏长松

(中国石油大庆炼化公司机电仪厂，黑龙江 大庆 163411)

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。潘宝霞和贾朝阳以年产20kt聚丙烯装置为例，介绍了聚烯烃后处理的关键设备挤压造粒装置的上游配料及计量加料系统、PID控制方案以及关键设备的选型[1]。杨海青等对聚丙烯粉末加热器热轴的泄漏原因做了分析，并对其进行了改造，取得了良好的效果[2]。

Basell公司开发的多区循环反应器(MZCR)技术，即Spherizone工艺，采用气相循环技术。其特点是不同的区域具有不同的工艺条件，即不同的反应温度、氢气和单体浓度，能起到由其他工艺中多个气相和环管反应器所起的作用。在一个多区循环反应器中可以制备双峰聚丙烯树脂，同时可以获得高度均一的多单体树脂或双峰均聚物。多区循环反应器是Spherizone聚丙烯工艺的核心，反应器的精确控制和平稳运行是装置长周期运行的保证。笔者以Spherizone工艺在中国石油大庆炼化公司二期30万t聚丙烯装置中的实际为例，介绍多区循环反应器技术中的反应器压力控制和汽提塔流量前馈串级控制方案，以及在DCS中的实现方法。

1 多区循环反应器的复杂控制①

多区循环反应器的复杂控制包括丙烯、氢气和乙烯的进料控制，反应器的压力、温度和料位控制，汽提塔的控制，以及反应器出料线的切换控制等。反应器复杂控制的最终目的是保证反应器内物料的平衡，其中影响反应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产量[3]。原料丙烯流量由反应器压力三冲量控制实现，回收丙烯流量的稳定由汽提塔流量前馈串级控制实现。

1.1 反应器压力三冲量控制

反应器压力的变化是液相丙烯进入反应器后，由温度升高、液体汽化、体积迅速膨胀引起的，因此反应器压力控制的实质就是控制反应器内气相丙烯的含量。影响反应器内气相丙烯含量的因素：一是气相丙烯的消耗量，即聚合物产量；二是汽提塔液化的气态丙烯量。反应器压力控制可以看作是一个三冲量控制(图1)，反应器内丙烯含量是被控变量，即主冲量信号；聚合物产量和汽提塔液化丙烯量是两个辅助冲量信号。但实质上三冲量控制系统是前馈加反馈控制系统，聚合物产量和汽提塔液化丙烯量是前馈信号，最终通过丙烯进料流量控制回路调节反应器内的丙烯含量，实现反应器压力的控制。前馈-反馈压力控制系统如图2所示。

图1 反应器压力三冲量控制框图

图2 前馈-反馈压力控制系统框图

1.2 汽提塔流量前馈串级控制

如图3所示，汽提塔由氢气和乙烯两个汽提塔组成，主要功能是回收丙烯、乙烯和氢气。其中氢气汽提塔顶部的换热器用来液化从反应器来的气相丙烯，液化后的丙烯作为回收丙烯与乙烯和氢气一同返回反应器。丙烯液化是由气相变为液相的过程，回收丙烯注回反应器是由液相到气相的过程，如果这两个过程中的丙烯量相等，氢气汽提塔液位保持不变，则反应器的压力稳定；反之，汽提塔的液位波动会造成反应器压力的波动。为了消除氢气汽提塔液位的偏差，设置了汽提塔流量控制回路，如图4所示。

图3 回收丙烯流程简图

图4 汽提塔流量控制框图

造成汽提塔液位波动的原因是乙烯汽提塔液位的波动，因为乙烯汽提塔液位波动会通过其液位流量串级控制回路传递给氢气汽提塔。氢气汽提塔液位的波动则会通过其液位和流量串级均匀控制回路，引起去反应器丙烯流量的变化。

汽提塔流量控制回路将反应器内的丙烯流量偏差通过热量平衡方程转换成热量，控制换热器热量控制副回路以改变液化丙烯量，恢复氢气汽提塔液位偏差。前馈控制用以克服氢气汽提塔进料量变化，将其作为前向通道来消除干扰。测量氢气汽提塔进料量最终还是要转化为液化丙烯所需撤走的热量，直接作用于热量控制回路。

2 复杂控制在DCS中的实现

中国石油大庆炼化公司二期聚丙烯采用的是CS3000，该系统支持功能块图、顺控图、顺控表和逻辑图，同时有高级语言编写功能，组态方便[4]。下面给出反应器压力控制和汽提塔控制在CS3000中的实现方法。

2.1 反应器压力控制

反应器内的气相丙烯量是用理想气体状态方程计算得到的(将所测的反应器压力和温度值代入理想气体状态方程，求得丙烯摩尔的量，再乘以丙烯分子量)，将此值与反应器压力和温度设定值与计算出的丙烯含量进行比较，得到偏差(即控制回路中的偏差信号)。反应器压力控制如图5所示。

图5 反应器压力控制框图

通过汽提塔内液位的偏差可以计算出汽提塔中气相丙烯含量的偏差。反应消耗的丙烯，即聚合物产量，可以通过物料平衡计算得到；为了保证参数的平稳，聚合物产量必须取其30min内的移动平均值。由于反应器内丙烯含量和汽提塔中气相丙烯含量的单位是质量，所以要除以一个时间常数，将单位转换为统一的质量流量。最终的原料丙烯流量设定值为以上3个流量之和。时间常数默认为9min，即过渡期间为9min，以获得一个渐进的和稳定的过渡过程。

反应器压力控制是在CS3000中用SFC功能块，以Sebol语言编写程序实现的，该程序每10s被执行一次。具体代码如下：

START:

*计算丙烯的需求，去补偿反应器压力

%.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

*计算丙烯在氢气汽提塔中的量

%.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

*计算丙烯消耗

%.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

*计算2FIC2203的设定值

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

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

END IF

delay 10000!延时10s执行

GOTO START

2.2 汽提塔控制

丙烯进料量是氢气汽提塔的干扰通道，在实际应用中，汽提塔入口丙烯流量是各分支丙烯量之和，根据生产单峰、双峰树脂的不同分为两种流量计算方法，用选择开关切换。图6是在CS3000中用功能块搭建的汽提塔流量控制回路，可以看出：换热器的热量控制器设定值是前馈和反馈之和。

丙烯流量乘以丙烯汽化潜热，即丙烯液化所需热量。氢气汽提塔塔顶换热器实际撤走热量可

图6 汽提塔流量控制回路框图

以通过比热容公式Q=cmΔt计算。如果热量控制器的设定值和测量值相等即吸热等于放热(ΔQ吸=KΔQ放)，则扩展后的公式为cm水ΔT水=Kλm丙烯，将其左右同时除以时间即得到cF水·ΔT水=KλF丙烯。其中c为水的比热容；F水是夹套水流量；F丙烯是冷凝的丙烯流量；m为质量；λ为操作压力下丙烯的汽化潜热；K为常数；ΔT水是换热器出入口夹套水的温差。

实际应用中夹套水流量调节阀是气关阀，所以流量控制器和热量控制器均为反作用。

3 结束语

中国石油大庆炼化公司二期30万t/a聚丙烯装置是国内引进的第二套Spherizone工艺聚丙烯装置。通过对该装置引进技术的消化与吸收，装置开工以来，多区循环反应器运行平稳，控制效果良好。同时也验证了反应器复杂控制的正确性和可靠性。

[1] 潘宝霞,贾朝阳.20kt/a聚丙烯挤压造粒装置配料系统的设计[J].化工机械,2011,38(1):46～48.

[2] 杨海青,王瑞,赵旭,等.聚丙烯粉末加热器热轴的结构改进[J].化工机械,2010,37(5):652～656.

[3] 吴钢良，田洲，王嘉骏，等.多区循环反应器中丙烯气相聚合的模拟分析[J].化学工程，2011，39(6):79～83.

[4] 翁维勤，孙洪程.过程控制系统及工程[M].北京:化学工业出版社，2009:169～171.