环氧乙烷反应系统关键控制方案分析与设计
史结清，陈真生 杨继华
浙江中控技术股份有限公司 杭州 310013
摘要: 环氧乙烷（EO）反应系统是环氧乙烷/乙二醇(EOEG)装置的核心，本文结合环氧乙烷反应系统的工艺，重点阐述了反应器汽包压力控制，反应进料系统中各组分的浓度控制及流量跟踪差报警控制，循环气压力控制等几个复杂且关键的控制方案。
关键词: EOEG，反应系统，跟踪差报警控制，采样控制
Analyze on the Control Scheme for Ethylene Oxide Reaction System
Shi Jieqing, Chen Zhensheng, Yang Jihua
Zhejiang SUPCON Co. Ltd, Hangzhou China 310053
Abstract: The EO reaction system is the core of the Ethylene Oxide Ethylene Glycol plant (EOEG). This paper According to the process of the EO reaction system. particularly elaborated several complex and pivotal control schemes such as the pressure coordinated control of the reactor vapor drum, the sampled-data control of the materiel's concentration in the reaction feed system, the flow tracking differential alarm control of the reaction feed system, and the multi-assistant loop control of the circle gas pressure etc.
Keyword: EOEG, reaction system, three impulses control, tracking differential alarm control, sampled-data control
前言
环氧乙烷(简称EO)的主要用途是生产乙二醇(简称EG)，国内环氧乙烷与乙二醇大多为联产装置，简称EOEG装置。目前，世界上的EOEG装置普遍采用氧气氧化法，即采用纯氧和乙烯为原料，氧化反应生成环氧乙烷、环氧乙烷水合生成乙二醇的工艺路线。
EO反应工段为EOEG装置的核心，在安全操作限度内维持反应变量的设定值，保证EO的产量与收率，为该工段的主要控制目标。在反应器的设计条件下(催化剂的容积、负荷、停留时间)，为了达到预定的产量和收率，需要控制给料气体的流量、入口气体的温度、入口气体的压力及混合气体各个组分的浓度，并通过锅炉系统移走多余的反应热以维持反应温度。
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1. EO反应工段的工艺
EOEG装置反应系统的工艺流程如图1所示，循环气压缩机出口的贫循环气首先与新鲜乙烯和甲烷在管道中混合。此后，气体物流进入氧混站，并导入新鲜氧进料，在加入抑制剂后进入预热单元（气气换热器）与EO产物气体进行热交换预热混合气。预热后，混合气进入列管式反应器，其中乙烯和氧气在催化剂作用下进行放热反应，部分乙烯转化生成环氧乙烷。
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反应热由反应器壳程中的沸水移走，水循环通过热虹吸来实现，反应放热使列管外的水沸腾汽化生成蒸汽。离开反应器壳程的水和蒸汽两相混合物进入反应器汽包，水和蒸汽在此分离，水被送回反应段壳层循环使用，而汽包上方引出蒸汽被送到高压蒸汽管网，锅炉给水预热后补充至汽包。含有产物EO的富循环气从反应器流出，经过反应器/气体冷却器底部管程的沸水冷却，富循环气进入气气换热器壳程进行冷却，同时为反应进料气加热。冷却后的富循环气经过洗涤塔塔底进料/换热器(E115)冷却后流入洗涤塔，在洗涤塔的洗涤段，富循环气中的环氧乙烷被贫循环水吸收，再进入预饱和段、接触段进行吸收和冷却，贫循环气，送到洗塔底部的循环气KO罐，清除夹带的液体后输送到循环压缩机。
乙烯脱硫床FC15过滤器放空 甲烷压缩机FC18FC16FC14FSS18氧气过滤器高压蒸汽锅炉给水反应器汽包反应器焚烧炉乙烯回收甲烷FC34ACACACAC15A15B15C15D中压蒸汽反应器气体冷却器汽包PSS18FC12PC18回收压缩机氧混站开车泵E115气体冷却器气-气换热器抑制剂循环气压缩机富循环气贫循环气洗涤塔再生塔
图1 EO反应工段工艺流程及进料系统控制回路图
甲烷作为一种致稳剂加入到循环物流中，可以提高可燃极限以及氧在反应器进料中的允许浓度。通常甲烷首先进入再生塔进料闪蒸罐，用来帮助回收乙烯，然后经回收气体压缩机增压后进入循环气系统，当回收气体压缩机不运行时，甲烷经甲烷压缩机加压后进入系统，可用于反应系统的最终加压。
2. EO反应进料系统的控制
循环的EO反应过程，进入反应器的混合气由循环气和新鲜原料气混合形成，循环气的主要组份有乙烯、氧气、环氧乙烷、二氧化碳、水、氮气、氩气、甲烷、乙烷等。循环气中各组分的浓度，及循环气在反应器的停留时间，直接体现了当前反应过程的转化率及选择性。
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2.1 氧气与乙烯浓度采样控制
实际生产过程中乙烯与氧的配比一定要在爆炸限以外，同时必须控制氧气的浓度在合适的范围内，过低时催化剂的生产能力小，过高时反应放出的热量大，易造成反应器的热负荷过大，产生飞温。
氧气的浓度控制方案如图2所示，循环气中氧气的浓度主要靠调节氧气进料流量实现，循环气氧气浓度调节回路AC15B与氧气流量调节回路FC16构成串级调节。氧气增加的消耗量Ro再乘以前馈增益C2作为主回路AC15B的输出补偿，也就是前馈信号，其中前馈增益C2需在回路调试时调整，氧气增加的消耗量Ro由质谱仪软件经过计算得出。此外，因氧气的危险性，在自动控制中，氧气浓度回路AC15B的设定值及氧气流量回路FC16的设定值都加以限幅，避免增加过快。
采样参数保持时间SP前馈开关控制参数控制参数+-前馈补偿器:C1*Ro干扰Ro对象限幅+-采样控制器AC-15B跟踪差报警限幅AI15B+FC-16FV16FI-16
图2 氧气的浓度方框图
氧浓度检测具有很大的滞后性，使用常规PID控制器对被控参数偏差的控制作用又不能适时的反映出来，以致造成控制过头，引起过程超调严重，为此该氧气浓度控制器AC-15B用采样控制器。采样控制器采用“调一调、等等看”的方法，即当控制器调节一段时间后，就不再调整，保持原输出值，直到控制作用的效果在被控量的变化中反映出来，然后再根据偏差的大小与被控量的变化决定下一步的控制动作。
采样控制的动态特性如图3所示，当控制器具有积分作用，处于控制区△Tc内时，控制器进行正常的控制运算输出；当处于保持区△Th内时，控制器停止运算，输出保持不变。这是一种断续的控制方式，它无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控变量中纯滞后对控制带来的不利影响，但是必须注意此时采样控制保持时间的选取应略大于过程的纯滞后时间。
MVΔThΔTct[5]
图3 采样控制的动态特性示意图
循环气中乙烯的浓度主要靠调节新鲜乙烯进料流量实现，循环气乙烯浓度调节AC15A与乙烯流量FC18构成串级调节。乙烯增加的消耗量做前馈信号，控制方案与氧气浓度控制类似。
2.2 流量跟踪差报警控制
为防止氧气浓度过高，氧气进料流量与循环气流量都还设置了跟踪差报警系统，该系统的特点为，报警设定值仅按一个方向变化。氧气进料流量设上限跟踪差报警，报警设定点只能下降，不可上升，目的就是不允许氧流量大量增加。
流量B当工艺流量下降B跟踪A，但不可超过原最高值；当工艺流量上升B不上升而保持原值。最小流量偏差A报警时间复位过程
图4 氧气流量联锁报警示意图
氧气流量跟踪差报警设定点与工艺变量的关系如图4所示。如果氧气流量下降，其报警设定值等于实际流量乘以大于1的固定系数（如115%）而且不可超过原最高值。而当氧气流量上升时, 其报警设定值保
环氧乙烷反应系统关键控制方案分析与设计
