第三節　固定床反應器的操作與控制

一、固定床反應器的工藝原理

本節以催化選擇加氫的辦法，脫除乙烯裝置中的乙炔（乙烯生產過程中的碳二加氫工段）工藝流程為例介紹固定床反應器仿真操作與運行控制。

本例中的固定床反應器仿真單元操作訓練選用的是一種對外換熱式氣-固相催化反應器，熱載體是丁烷。在乙烯裝置中，液態烴熱裂解得到的裂解氣中乙炔約含（1000～5000）×10-6，為了獲得聚合級的乙烯、丙烯，須將乙炔脫除至要求指標。催化選擇加氫是最常用的方法之一。

在加氫催化劑存在下，碳二餾分中的乙炔加氫為乙烯，就加氫可能性來說，可發生如下反應。

主反應：

（3-7）

副反應：

C2H6+311.0kJ/mol

（3-8）

C2H6+136.7kJ/mol

（3-9）

低聚物（綠油）

（3-10）

高溫時，還可能發生裂解反應：

2C+H2+227.8kJ/mol

（3-11）

實際生產中希望只發生主反應（3-7），既能使原料中的乙炔脫除，又能增產乙烯；副反應（3-8）是乙炔加氫得到乙烷，但對乙烯的增產沒有貢獻；反應（3-9）～反應（3-11）是不希望發生的反應。

1.反應溫度

反應溫度對催化劑加氫性能影響較大，碳二加氫反應均是較強的放熱反應，高溫不僅有利于副反應的發生，而且對安全生產造成威脅。一般地，提高反應溫度，提高催化劑活性，但選擇性降低。采用鈀型催化劑時，反應溫度為30～120℃，本裝置反應溫度由殼側中冷載熱體控制在44℃左右。

2.炔烴濃度

炔烴濃度對催化劑反應性能有著重要影響。加氫原料所含炔烴、雙烯烴濃度高，反應放熱量大，若不能及時移走熱量，使得催化劑床層溫度較高，加劇副反應的進行，導致目標產物乙烯的加氫損失，并造成催化劑的表面結焦的不良后果。

3.氫烴比

乙炔加氫反應的理論氫炔比為1.0，如氫炔比小于1.0，說明乙炔未能脫除。當氫炔比超過1.0時，就意味著除了滿足乙炔加氫生成乙烯需要的氫氣外，有過剩的氫氣出現，反應的選擇性就下降了。一般采用的炔烴比為1.2～2.5。本裝置中控制碳二餾分的流量是56186.8t/h，氫氣的流量是200t/h。

4.一氧化碳

一氧化碳會使加氫催化劑中毒，影響催化劑的活性。在加氫原料中的一氧化碳的含量有一定的限制，如碳二加氫所用的富氫中一氧化碳含量應小于5×10-6。

二、固定床反應器的工藝流程

（一）工藝流程及說明

1.工藝流程圖

固定床反應器單元帶控制點的工藝流程圖如圖3-5所示。

2.工藝流程說明

反應原料分兩股，一股溫度為-15℃左右的烴原料（以C2為主），進料量由流量控制器FIC1425控制；另一股溫度為10℃左右的H2與CH4的混合氣，進料量由流量控制器FIC1427控制。FIC1425與FIC1427為比值控制，兩股原料按一定比例在管線中混合后經原料氣/反應氣換熱器（EH423）預熱，再經原料預熱器（EH424）預熱到38℃，進入固定床反應器（ER424A/B）。預熱溫度由溫度控制器TIC1466通過調節預熱器EH424加熱蒸汽（S3）的流量來控制。

ER424A/B中的反應原料在2.523MPa、44℃下反應生成C2H6。當溫度過高時會發生C2H4聚合生成C4H8的副反應。反應器中的熱量由反應器殼側循環的加壓C4冷劑蒸發帶走。C4蒸汽在水冷器EH429中由冷卻水冷凝，而C4冷劑的壓力由壓力控制器PIC1426通過調節C4蒸汽冷凝回流量來控制，從而保持C4冷劑的溫度。

（二）固定床單元主要設備及作用

1.固定床單元主要設備

固定床單元主要設備見表3-6。

2.現場手動閥

手動閥見表3-7。

（三）主要控制點及正常工況工藝指標

調節器見表3-8。

（四）仿真操作界面圖

1.固定床塔系統DCS圖

仿真系統中固定床塔系統DCS圖如圖3-6所示。

2.固定床系統現場圖

仿真系統中固定床系統現場圖如圖3-7所示。

三、固定床反應器的操作

（一）開車操作

裝置的開工狀態為反應器和閃蒸罐都處于已進行過氮氣沖壓置換后，保壓在0.03MPa狀態。可以直接進行實氣沖壓置換。

1.EV429閃蒸器充丁烷

①確認EV429壓力為0.03MPa。

②打開EV429回流閥PV1426的前后閥VV1429、VV1430。

③調節PV1426（PIC1426）閥開度為50%。

④EH429通冷卻水，打開KXV1430，開度為50%。

⑤打開EV429的丁烷進料閥門KXV1420，開度50%。

⑥當EV429液位到達50%時，關進料閥KXV1420。

2.ER424A反應器充丁烷

（1）確認事項

①反應器0.03MPa保壓。

②EV429液位到達50%。

（2）充丁烷。打開丁烷冷劑進ER424A殼層的閥門KXV1423，有液體流過，充液結束；同時打開出ER424A殼層的閥門KXV1425。

3.ER424A啟動

（1）啟動前準備工作

①ER424A殼層有液體流過。

②打開S3蒸汽進料控制TIC1466。

③調節PIC1426設定，壓力控制設定在0.4MPa。

（2）ER424A充壓、實氣置換

①打開FIC1425的前后閥VV1425、VV1426和KXV1412。

②打開閥KXV1418。

③微開ER424A出料閥KXV1413，丁烷進料控制FIC1425（手動），慢慢增加進料，提高反應器壓力，充壓至2.523MPa。

④慢開ER424A出料閥KXV1413至50%，充壓至壓力平衡。

⑤乙炔原料進料控制FIC1425設自動，設定值56186.8kg/h。

（3）ER424A配氫，調整丁烷冷劑壓力

①穩定反應器入口溫度在38.0℃，使ER424A升溫。

②當反應器溫度接近38.0℃（超過35.0℃），準備配氫。打開FV1427的前后閥VV1427、VV1428。

③氫氣進料控制FIC1427設自動，流量設定80kg/h。

④觀察反應器溫度變化，當氫氣量穩定后，FIC1427設手動。

⑤緩慢增加氫氣量，注意觀察反應器溫度變化。

⑥氫氣流量控制閥開度每次增加不超過5%。

⑦氫氣量最終加至200kg/h左右，此時H2/C2=2.0，FIC1427投串級。

⑧控制反應器溫度44.0℃左右。

（二）正常操作

1.正常工況下工藝參數

（1）正常運行時，反應器溫度TI1467A44.0℃，壓力PI1424A控制在2.523MPa。

（2）FIC1425設自動，設定值56186.8kg/h，FIC1427設串級。

（3）PIC1426壓力控制在0.4MPa，EV429溫度TI1426控制在38.0℃。

（4）TIC1466設自動，設定值38.0℃。

（5）ER424A出口氫氣濃度低于50×10-6，乙炔濃度低于200×10-6。

（6）EV429液位LI1426為50%。

2.ER424A與ER424B間切換

①關閉氫氣進料。

②ER424A溫度下降低于38.0℃后，打開C4冷劑進ER424B的閥KXV1424、KXV1426，關閉C4冷劑進ER-424A的閥KXV1423、KXV1425。

③開C2H2進ER424B的閥KXV1415，微開KXV1416。關C2H2進ER-424A的閥KXV1412。

3.ER424B的操作

ER424B的操作與ER424A操作相同。

（三）停車操作

1.正常停車

（1）關閉氫氣進料，關VV1427、VV1428，FIC1427設手動，設定值為0%。

（2）關閉加熱器EH424蒸汽進料，TIC1466設手動，開度0%。

（3）閃蒸器冷凝回流控制PIC1426設手動，開度100%。

（4）逐漸減少乙炔進料，開大EH429冷卻水進料。

（5）逐漸降低反應器溫度、壓力，至常溫、常壓。

（6）逐漸降低閃蒸器溫度、壓力，至常溫、常壓。

2.緊急停車

（1）與停車操作規程相同。

（2）也可按急停車按鈕。

四、固定床反應器典型事故及處理

固定床單元操作的典型事故及處理方法見表3-9。

五、固定床反應器的運行控制

1.溫度控制

（1）控制反應器入口溫度　對加熱爐式換熱器提供熱源的反應，要嚴格控制反應器入口物料的溫度，即控制加熱爐出口溫度或換熱器終溫，這是整個反應裝置的重要工藝指標。

（2）控制反應床層間的溫度　對劇烈放熱反應，應及時移走熱量以保證正常生產，在正常的生產操作中，可以通過調節冷激氣量來降低床層溫度。

（3）原料組成的變化對反應溫度的影響　原料組成變化會影響反應速率和反應熱效應的變化，進而引起床層溫度的變化。

（4）反應初期與末期的溫度變化　生產初期，催化劑的活性較高，反應溫度可以稍低。隨著生產時間的延長，催化劑活性有所下降，可以在允許操作范圍內適當提高反應溫度。

（5）反應溫度的限制　反應器床層任何一點溫度超過正常溫度一定值時應停止進料；必要時，要采用緊急措施，或啟動高壓放空系統以防止溫度繼續升高而引起反應失控。

2.壓力控制

反應壓力主要通過氣體的分壓來調節，壓力出現波動，對整個反應的影響較大。

（1）壓縮機的壓力調節　一般情況下，不要改變循環壓縮機的出口壓力，也不要隨便改變高壓分離器壓力調節器的給定值。如果壓力升高，通常通過壓縮機每一級的返回量來調節，必要時可通過增加排放量來調節；壓力降低，一般需增加新鮮氣的補充量。

（2）反應溫度的影響　反應溫度升高，會導致反應的程度加大，耗氣量增加，壓力下降，因而反應過程中須嚴格控制反應溫度，盡量避免出現溫度波動。

（3）原料變化的影響　原料改變，耗氫量也變，裝置壓力降低，循環氫壓縮機入口流量下降，此時應補充新鮮氫氣。如果原料帶水，系統壓力會上升，系統壓差增大。

3.空速控制

在操作過程中，需要進行提溫提空速時，應“先提空速后提溫”，而降空速降溫時則“先降溫后降空速”。操作過程中，應盡量避免空速大幅度下降，從而引起反應溫度極度升高。