专利名称：：丙烯酸装置中丙烯氧化单元dcs控制系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种丙烯酸生产中的工艺过程自动控制系统。
背景技术：
：丙烯两步氧化法生产丙烯酸工艺，主要是以丙烯、空气为原料，在催化剂条件下发生气相氧化反应。氧化过程分两步完成，首先是丙烯氧化生成丙烯醛，丙烯醛进一步氧化生成丙烯酸。反应方程式如下-CH2=CH-CH3+02—CH2=CH-CHO+H20+0.34MJ(80kCal)CH尸CH陽CHO+1/202—CH2=CH-COOH+0.25MJ(60kCal)由于该过程为放热的强氧化反应，反应温度较高，为满足催化剂性能和生产规模的要求，需要维持较高的原料浓度。因此，丙烯和氧气混合物在接近爆炸极限的范围内操作，如果不能严格控制各工艺参数，系统随时存在爆炸的潜在危险。另外，高性能的催化剂对原料配比也有着较为严格的限制，只有原料配比达到最佳配比点时，催化剂性能才能得到最大程度的发挥。因此，反应过程的精密工艺控制决定了整套工艺的安全性和经济性。在以往的丙烯酸生产装置中，受检测控制手段限制，生产过程中的原料配比是由操作人员手动调节，控制各进料浓度在一相对稳定的范围内；为了减少影响配比计算的参数，一般不采用反应尾气循环工艺，而是通过向反应物料中直接加入水蒸汽的方法调节反应气体的浓度，抑制爆炸的发生。但过多的水蒸汽加入不但使蒸汽消耗增加，还直接影响了催化剂的使用寿命，造成后部丙烯酸精制系统分离成本增加。针对这一问题，目前的丙烯酸氧化工艺进行了改进，其一是将反应过程多采用将经过焚烧后的反应尾气循环回到反应系统，替代部分蒸汽作为反应过程的稀释气体调节丙烯浓度；另一工艺路线是将反应尾气不经过焚烧处理，直接循环回到反应系统，该工艺既回收了丙烯，而且消除了因焚烧系统操作波动对氧化反应过程的影响，操作更加平稳。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术之不足，针对将未经过焚烧处理的反应尾气直接循环回反应系统的最新工艺路线，提供了一套丙烯酸生产中丙烯氧化单元的自动控制系统。由于循环尾气和尾气中所携带成分的增加，造成影响反应配比和反应爆炸区范围的因素也相应增加，需要引进更多的工艺参数参与系统运算，涉及到的操作变量由直接蒸汽调节工艺的23个增加到33个，考虑引入的修正参数，参与计算的工艺参数达到60个之多。因此，在装置的DCS组态过程中，充分考虑各参数间的相互关系，以及各参数对工艺过程的影响方式和程度，将这些关系用明确的数学表达式确立下来，这样DCS系统就能够精确、平稳地实现多工艺过程的自动控制，保证反应过程平稳、有序运行。丙烯两步氧化生产丙烯酸工艺过程为蒸汽、循环尾气、新鲜空气进预混合器M-1混合后，再进入混合器M-2与新鲜丙烯进料进行充分混合，作为第一反应器R-1进料。在第一反应器R-1内，丙烯与空气中的氧气进行氧化反应生成丙稀醛。第一反应器出口气体与补充的新鲜空气在第二反应器R-2进料混合器M-3内混合后，进入第二反应器继续发生氧化反应，使丙稀醛进一步转化为丙烯酸。该工艺过程的控制系统特征在于设有FC-1006新鲜丙烯进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在第一反应器(R-l)进料混合器M-2的新鲜丙烯管道上，FC-1006系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的主动量信号，进控制室DCS作为主变量参与配比运算；设有FC-1004新鲜空气进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在新鲜空气进预混合器M-l的管道上，FC-1004系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1009蒸汽流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在蒸汽进预混合器M-l的管道上，FC-1009系统的流量变送器输出信号，作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1021循环尾气流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在循环尾气进预混合器M-1的管道上，FC-1021系统的流量变送器输出信号，作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1012新鲜空气进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在第二反应器R-2进料混合器M-3的新鲜空气管道上，FC-1012系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS,参与运算；FC-1006系统的调节阀接收DCS中FC-1006系统的输出信号；FC-1004、FC-1009、FC-1012、FC-1021系统的调节阀接收自动演算结果的DCS输出信号工作；设有AI-1003微量水分析仪，检测新鲜空气的水含量，其输出信号送至控制室内DCS;设有AI-1006氧气含量分析仪，检测循环气的氧含量，其输出信号送至控制室内DCS;设AI-1007C3含量分析仪，检测循环尾气的Q含量，其输出信号送至控制室内DCS;以上三种分析仪检测信号输入DCS参与配比计算，可以更加精确的调节蒸汽、空气、循环尾气的进入量，计算结果更加能够反映实际配比关系。本发明特点在于根据丙烯实际进料流量，自动配以固定比值的蒸汽、空气、循环尾气，由于实现了蒸汽、空气、循环尾气流量根据丙烯实际进料流量的实时自动调节，减少了人为干扰，操作更加安全稳定。通过采用先进的DCS控制系统，在同等催化剂及相同操作条件下，可提高丙烯酸收率约0.5~2%，经济效益十分可观。图1为丙烯氧化单元流程示意图。图2为本发明信号传递、演算关系示意图。图3为生产过程中操作点在DCS系统监视器显示图像。图4为在开车过程中，操作点变化轨迹图像。图5为在停车过程中，操作点变化轨迹图像。图中"一反"、"二反"为第一反应器、第二反应器的简称。■-■反应器爆炸区边界线-------一反应器窒息区下限线术操作点*~*开车轨迹线-停车轨迹线具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细描述。以年产8万吨丙烯酸装置丙烯氧化单元为例，采用DCS控制，阐述本发明情况。蒸汽经孔板、差压变送器测量流量；空气经阿牛巴、差压变送器测量流量；循环尾气经孔板、差压变送器测量流量，三者共进预混合器M-l，新鲜丙烯经流量测量后入进料混合器M-2，混合后再与新鲜丙烯进混合器M-2，再进第一反应器R-1;第一反应器反应后的反应气入进料混合器M-3，与经阿牛巴、差压变送器测量流量后的第二反应器补充空气混合后进入第二反应器R-2进行进一步氧化反应。一、基本运算与调节1.配比运算本发明DCS运作中信号传递及演算过程，如图1所示。(1)基本计算本过程是将各股进料的表测流量、在线分析仪表的组分含量等参数代入以下计算公式，得到目前进入反应器的各组分实际流量。一反丙烯流量计算B1=B+E*V/1000kg/h一反水流量计算H=C+D*A/(1000+A)+E*Y/1000kg/h一反空气流量计算l=D*1000/(1000+A)+E*Z/1000kg/h一反惰性气流量计算J=E(1-Y-Z-V)/1000kg/h二反空气流量计算K=F*1000/(1000+A)kg/h(2)配比计算本工艺中反应器各组分进料应遵循严格的配比关系，如某催化剂供应商提供的进料配比为1STINT:O22ND=l:l:1.7:2.4:0.5PPH20—021ST-INT—O-第一反应器入口丙烯量-第一反应器入口蒸汽量2ND-第一反应器入口氧气量第一反应器入口循环惰性气量(不包括空气、丙烯和水)-第二反应器入口氧气量该比值为要求的各进料组分摩尔比，在进行进料配比计算时，首先由装置的设定负荷计算出所需的丙烯进料量"Wl"(其中包括循环气携带丙烯量)，再按照所要求的配比关系分别计算出一反蒸汽流量、环惰性气流量和二反空气流量。其中一反蒸汽流量计算M=(W1/MWPP)*1.0*MWMP一反空气流量计算N=(W1/MWPP)*1.7/0.21*MWA一反循环气流量计算0=(W1/MWPP)*2.4*MWINT二反空气流量计算P=(W1/MWPP)*0.5/0.21*MWA-反空气流]kg/hkg/hkg/hkg/h'反循当计算出进入反应器的各组分流量后，就可由以下关系式计算出反应器各进料控制系统的流量设定值一反蒸汽控制系统FC-1009流量设定R=M-(H-C)kg/h一反空气控制系统FC-1004流量设定S=(N-E*Z/1000)*(1000+A)/1000kg/h一反循环气控制系统FC-1021流量设定T=0/(1-(Y+Z+V)/1000)kg/h二反空气控制系统FC-1012流量设定U=P*(1000+A)/1000kg/h符号解释如表l:表-1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>注1)经温度、压力补偿修正后的流量。2)循环气饱和湿度由以下公式计算Y=Y1*Y2/Y3*1000符号意义Y1——循环气在6CTC温度下的水分率(饱和)v/vY2——水分子量kg/kmolY3——循环气平均分子量kg/kmol3)循环气含空气量由以下公式计算Z=Z1/100/Z2*Z3/Z4*1000符号意义Z1——循环气中02浓度Z2——空气中02浓度Z3——空气平均分子量Z4——循环气平均分子量4)循环气含C3量由以下公式计算V=V1*1Cr6*V2/V3*1000符号意义V1——循环气中C3浓度V2——C3平均分子量(以纯丙烯计)V3——循环气平均分子量mol%V/Vkg/kmolkg/kmolppmkg/kmolkg/kmol二、操作点计算1.操作点计算本发明操作点是指反应器进料的反应物浓度组成，以"丙烯一氧气;浓度坐标表示即是坐标点(X02，YPP)。由以下公式计算-丙烯流量FP=FPX*Kp/MWP空气流量FA=F1AIR*K1a*1/(1+HA/1000)/MWAkmol/hkmol/hMPS流量FMPS=FMPSX*Km/MWMPkmol/h循环气流量FRG=Frc*Kr/MWRGkmol/h循环气中携带丙烯流量FC3二FRG+C3A+10"6kmol/h湿空气中水流量FAW=FA*MWA/MWWT*(HA/1000)反应进料总摩尔流量FTOTAL=FP+FA+FMPS+FRG+FAWkmol/hkmol/h丙烯摩尔浓度(mol%)XPP=((FP+FC3)/FTOTAL)*100氧气摩尔浓度(mol%)X02=((FA*0.21+FRG*AOXG)/FTOTAL)*100mol%mol%相关参数表述见表2(表-2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>HAAI-1002g/kg空气湿度(水/干空气)C3AAI-1007PPm循环气C3含量平均分子量MWP丙烯MWA空气MWWT水MWMP蒸汽MWRG循环气MWINT循环气中惰性气(不包含水、空气和C3)流量补偿参数KpFl-1006流量温压补偿系数K1aFM004流量温压补偿系数KmFl-1009流量温压补偿系数KrFl-1021流量温压补偿系数2.根据计算出的当前坐标点(X轴为02，Y轴为PP)，利用DCS实时显示功能，在控制终端监视器中显示出操作点所处的位置，使操作人员随时监控当前的操作状态，避免操作点进入爆炸区域或催化剂窒息区。DCS监视器显示的画面如图3所示。三、DCS自动控制在开车、正常生产和停车过程中的实际应用由于本工艺为丙烯与空气中的氧气直接发生气相氧化反应，反应器进口处存在爆炸区和氧缺乏窒息区(参见图-3)，实际操作点一旦进入以上任何区域都将面临严重的安全问题，特别是在装置开停车过程中，影响工艺进程的因素较多，系统处于不稳定状态，因此必须根据上述运算关系设置专门的开停车及正常操作控制程序，使DCS系统自动控制开停车及正常操作进程，避免人为因素的干扰，确保工艺安全。1.开车操作开车准备及初步操作a)启动空气压縮机，将空气分别引入第一、第二氧化反应器。b)启动热熔盐加热器，使反应器预热至规定温度。C)向第一反应器通入规定量的中压蒸汽。d)启动DCS开车程序，点击"LOAD"进入升负荷模式。e)此时，程序将自动调整FC-1009至8593kg/h，FC-1004至10362kg/h。0当FC-1009与FC-1004流量达到规定值(操作点移至开车轨迹线起点处，并稳定)后，即可开始执行DCS自动开车操作。在升负荷"load"模式下，我们为操作点设计了较为严格的负荷提升轨迹线，如图4所示，按此轨迹开车，其过程是安全的。根据图4所示开车轨迹，进一步推导出一系列轨迹线上的操作点坐标及对应的反应器各进料组成，结果如表3。升负荷操作时，只需要输入丙烯负荷，DCS系统即可按照表3所对应的流量关系，采用内插方法计算出对应的蒸汽、空气、循环气和二反空气流量。020%负荷段应迅速提升，这是因为该过程段操作点远离爆炸区，惰性组分(水蒸汽)比值较高，操作相对安全。而且，由于在低负荷状态下，急冷塔底丙烯酸溶液较稀，精制回收困难，升负荷时间长意味着浪费的增加。另外，当丙烯负荷低于20%时，反应放热量较少，反应温度难以维持。在20~40%负荷段，每次丙烯负荷的增加幅度要小，待其它相关流股流量达到要求的配比且各工艺参数稳定后，可以连续提升负荷。其目的是在保持操作点不脱离开车轨迹基础上，尽量快速增加投料量，使反应过程的放热量达到维持反应系统温度的水平，同时可减少稀丙烯酸溶液的生成量。当丙烯负荷升至>67.5%后，进料控制屏幕将出现切换循环气操作按钮，此时应确认循环压縮机平稳启动且运行正常，同时继续提升操作负荷至70%，观察蒸汽流量FC-1009、空气流量FC-1004、循环气流量FC-1021和二反空气流量FC-1012达到设定值且稳定，此时所显示的配比关系应满足PP:H2O:AIRl:INT:AIR2=l:3.4:8.095:0:2.381相应画面中操作点应位于开工轨迹线的上端点处(丙烯浓度达到8.0%v)。当确认所有条件满足后，点击"ADDINT"按钮，将程序转入切换循环气模式，在此模式下DCS将执行向第一反应器引入循环气的操作。执行切换循环气模式时，程序将不接受改变新鲜丙烯进料量的操作(将输入丙烯负荷的窗口关闭)，此时唯一可操控的参数是循环气流量，并将循环气中所携带的C3组分流量(根据在线红外分析结果)自动增加到丙烯流量(Bl值)中；将所含的饱和水(20.6045%v)累加到一反实际水流量(H值)中，并在一反蒸汽计算值(M值)中等摩尔折减循环气中惰性组分(不包含水、空气和C3组分)的实际流量，按照R:M-(H-C)算式同步改变FC-1009的设定值，从而减少中压蒸汽的通入量；在一反空气计算值(N值)保持不变的情况下，通过在线氧分析仪的氧含量信号计算出循环气中的空气流量，将其累加到一反实际空气流量(I值)中，一反空气流量设定值将按S=(N-E*Z/1000)*(1000+A1)/1000算式同步改变，使进入一反的空气量与丙烯进料量比值保持恒定。在70%操作负荷下启动切换循环气模式时，程序将根据终了点惰性气与丙烯配比为2.4:1的摩尔比值关系，计算出要增加的惰性气体总量OB固WP承2.4承MWINT式中MWP——丙烯分子量，42.063MWINT--隋性气平均分子量，28.455Bl——丙烯负荷，70%负荷下对应的丙烯进料量为5608.6kg/h。因此05608.6/42.063*2.4*28.45461=9106(kg/h)而循环气总流量(FC-1021设定值)T=5608.6/42.063*2.4/RGINTB/l00*RGMW=13755kg/h式中RGINTB——循环气中惰性组分的体积百分数，61.409563%RGMW——循环气的平均分子量，26.396。引循环气过程中，需要密切观察反应条件(床层温度、熔盐温度等)和循环压縮机运行状态，同时注意不要大幅度改变循环气流量，避免操作点的偏离，影响反应进程。针对切换循环气过程中可能出现的循环压縮机运行不正常的状况，本模块提供了逐渐退减循环气的功能，程序将按前述增加循环气相反的过程同步改变FC-1009和FC-1004的设定，平稳地切换掉已加入的循环气，且保持操作点稳定。开车过程中，反应器各股进料流量变化、反应器进料组成和各进料组分摩尔配比关系见表3。2.正常操作当引入系统的惰性气与丙烯实际负荷之比(摩尔比)达到》2.38时，进料控制面板将出现正常操作模式"NORMAL"按钮。在点击"NORMAL"按钮使操作转入正常生产模式前，须确认反应条件和各流量达到设定值并保持平稳。切换"正常操作"模式后，M、N、0、P值的设定计算严格遵循以下配比关系PP:H20:AIR1:02:AIR2=1:1:8.095:2.4:2.381这样，DCS将程序转入正常操作模式。3.停车操作当装置需要正常停车时，首先应使装置操作负荷逐步降低到60%以下(仍执行正常操作模式)。降负荷的目的是可以充分减少系统物料存量，包括缓冲罐内丙烯、已配制的阻聚剂；并减少停工过程中加入的蒸汽量。同开车过程类似，我们也为停车过程设计了严格的停车轨迹线。基本设想是在维持进入系统的循环气和二反空气流量不变的情况下，向第一反应器入口通入过量的水蒸汽，使操作点沿停车轨迹线迅速移至爆炸区外侧，从而具备切除丙烯进料的条件。当操作负荷《60%时，进料控制面板将出现停车操作模式"SHUTDOWN"按钮，此时可以转入停车操作。停车操作时，操作点将按照下图所示轨迹变化。当执行"SHUTDOWN"操作后，DCS将自动计算出由当前操作点到达设定的停止PP进料点(开工轨迹上的30%负荷点)所需加入的蒸汽量(同时计算补充一反新鲜空气量)。停止PP进料点的H20/PP-5.95，补加蒸汽量的计算公式为ADH20=(5.95-1)XB1/MWPXMWH20为保证操作点严格按照图5所示轨迹移动，在增加正气流量的同时相应增加进入一反新鲜空气的流量，空气流量增加值用以下公式计算ADAIR=(8.9-8.095)XB固WPXMWAIR不同负荷点停车时，所需新加入的蒸汽、空气量见下表4表4<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>启动停工程序后，由对话窗口输入每一步要加入的蒸汽量，程序将根据要增加的蒸汽总流量计算出所需的总步数，通过点击"下一步"逐步完成蒸汽的加入(程序将自动增加相应的空气量)，使操作点移至安全区(氧含量低于产生爆炸的最低浓度11.2%),从而具备切断丙烯进料的条件。停止丙烯进料时，应同时向丙烯线通入低压氮气。待丙烯流量指示为"0"时，依次手动停止循环气、吸收塔顶部急冷水、中压蒸汽；当氧化反应器温度下降到规定值后，手动停止二反和一反空气进料，从而实现装置安全、平稳停车。<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>权利要求1，丙烯酸装置中丙烯氧化单元DCS控制系统，蒸汽、循环尾气、新鲜空气进预混合器M-1混合后，再进入混合器M-2与新鲜丙烯进料进行充分混合，作为第一反应器R-1进料。在第一反应器R-1内，丙烯与空气中的氧气进行氧化反应生成丙稀醛。第一反应器出口气体与补充的新鲜空气在第二反应器R-2进料混合器M-3内混合后，进入第二反应器继续发生氧化反应，使丙稀醛进一步转化为丙烯酸。该工艺过程的控制系统特征在于设有FC-1006新鲜丙烯进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在第一反应器(R-1)进料混合器M-2的新鲜丙烯管道上，FC-1006系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的主动量信号，进控制室DCS作为主变量参与配比运算；设有FC-1004新鲜空气进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在新鲜空气进预混合器M-1的管道上，FC-1004系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1009蒸汽流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在蒸汽进预混合器M-1的管道上，FC-1009系统的流量变送器输出信号，作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1021循环尾气流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在循环尾气进预混合器M-1的管道上，FC-1021系统的流量变送器输出信号，作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；设有FC-1012新鲜空气进料流量自动控制系统，其流量检测元件、调节阀设在第二反应器R-2进料混合器M-3的新鲜空气管道上，FC-1012系统的流量变送器输出信号作为流量配比系统的从动量信号之一，进控制室DCS，参与运算；FC-1006系统的调节阀接收DCS中FC-1006系统的DCS输出信号工作；FC-1004、FC-1009、FC-1012、FC-1021系统的调节阀接收自动演算结果的DCS输出信号工作。2，按照权利要求1所述的丙烯酸装置中丙烯氧化单元DCS控制系统，其特征在于设有AI-1003微量水分析仪，检测新鲜空气的水含量，其输出信号送至控制室内DCS;设有AI-1006氧气含量分析仪，检测循环气的氧含量，其输出信号送至控制室内DCS;设AI-1007Q含量分析仪，检测循环尾气的C3含量，其输出信号送至控制室内DCS;以上三种分析仪检测信号输入DCS参与配比计算，可以更加精确的调节蒸汽、空气、循环尾气的进入量，计算结果更加能够反映实际配比关系。全文摘要本发明公开一种丙烯酸装置中丙烯氧化单元DCS自动控制系统，设有新鲜丙烯进料流量自动控制系统、新鲜空气进料流量自动控制系统、蒸汽流量自动控制系统、循环尾气流量自动控制系统，设有微量水分析仪、含氧量分析仪、丙烯含量分析仪、控制室设DCS，以新鲜丙烯流量变送器输出信号进DCS，作为主动量信号，以蒸汽、新鲜空气、循环尾气进反应器流量信号，进DCS，作为从动量信号，构成流量配比控制系统，各分析器输出信号进DCS，参与演算；本发明优点在于，充分利用丙烯原料，合理配以蒸汽、氧气用量、循环尾气用量，在操作条件，包括反应器用催化剂、温度、压力等同情况下，可以降低生产成本，增加收率，提高产量0.5～2％，并确保生产操作安全。文档编号G05B19/418GK101149616SQ200710056289公开日2008年3月26日申请日期2007年10月29日优先权日2007年10月29日发明者利刘,刘学线,周江沛,旭孙,凯宋,巩传志,李志远,李欣平,纪忠斌,莉金申请人:中国石油集团工程设计有限责任公司东北分公司