第三节　固定床反应器的操作与控制

一、固定床反应器的工艺原理

本节以催化选择加氢的办法，脱除乙烯装置中的乙炔（乙烯生产过程中的碳二加氢工段）工艺流程为例介绍固定床反应器仿真操作与运行控制。

本例中的固定床反应器仿真单元操作训练选用的是一种对外换热式气-固相催化反应器，热载体是丁烷。在乙烯装置中，液态烃热裂解得到的裂解气中乙炔约含（1000～5000）×10-6，为了获得聚合级的乙烯、丙烯，须将乙炔脱除至要求指标。催化选择加氢是最常用的方法之一。

在加氢催化剂存在下，碳二馏分中的乙炔加氢为乙烯，就加氢可能性来说，可发生如下反应。

主反应：

（3-7）

副反应：

C2H6+311.0kJ/mol

（3-8）

C2H6+136.7kJ/mol

（3-9）

低聚物（绿油）

（3-10）

高温时，还可能发生裂解反应：

2C+H2+227.8kJ/mol

（3-11）

实际生产中希望只发生主反应（3-7），既能使原料中的乙炔脱除，又能增产乙烯；副反应（3-8）是乙炔加氢得到乙烷，但对乙烯的增产没有贡献；反应（3-9）～反应（3-11）是不希望发生的反应。

1.反应温度

反应温度对催化剂加氢性能影响较大，碳二加氢反应均是较强的放热反应，高温不仅有利于副反应的发生，而且对安全生产造成威胁。一般地，提高反应温度，提高催化剂活性，但选择性降低。采用钯型催化剂时，反应温度为30～120℃，本装置反应温度由壳侧中冷载热体控制在44℃左右。

2.炔烃浓度

炔烃浓度对催化剂反应性能有着重要影响。加氢原料所含炔烃、双烯烃浓度高，反应放热量大，若不能及时移走热量，使得催化剂床层温度较高，加剧副反应的进行，导致目标产物乙烯的加氢损失，并造成催化剂的表面结焦的不良后果。

3.氢烃比

乙炔加氢反应的理论氢炔比为1.0，如氢炔比小于1.0，说明乙炔未能脱除。当氢炔比超过1.0时，就意味着除了满足乙炔加氢生成乙烯需要的氢气外，有过剩的氢气出现，反应的选择性就下降了。一般采用的炔烃比为1.2～2.5。本装置中控制碳二馏分的流量是56186.8t/h，氢气的流量是200t/h。

4.一氧化碳

一氧化碳会使加氢催化剂中毒，影响催化剂的活性。在加氢原料中的一氧化碳的含量有一定的限制，如碳二加氢所用的富氢中一氧化碳含量应小于5×10-6。

二、固定床反应器的工艺流程

（一）工艺流程及说明

1.工艺流程图

固定床反应器单元带控制点的工艺流程图如图3-5所示。

2.工艺流程说明

反应原料分两股，一股温度为-15℃左右的烃原料（以C2为主），进料量由流量控制器FIC1425控制；另一股温度为10℃左右的H2与CH4的混合气，进料量由流量控制器FIC1427控制。FIC1425与FIC1427为比值控制，两股原料按一定比例在管线中混合后经原料气/反应气换热器（EH423）预热，再经原料预热器（EH424）预热到38℃，进入固定床反应器（ER424A/B）。预热温度由温度控制器TIC1466通过调节预热器EH424加热蒸汽（S3）的流量来控制。

ER424A/B中的反应原料在2.523MPa、44℃下反应生成C2H6。当温度过高时会发生C2H4聚合生成C4H8的副反应。反应器中的热量由反应器壳侧循环的加压C4冷剂蒸发带走。C4蒸汽在水冷器EH429中由冷却水冷凝，而C4冷剂的压力由压力控制器PIC1426通过调节C4蒸汽冷凝回流量来控制，从而保持C4冷剂的温度。

（二）固定床单元主要设备及作用

1.固定床单元主要设备

固定床单元主要设备见表3-6。

2.现场手动阀

手动阀见表3-7。

（三）主要控制点及正常工况工艺指标

调节器见表3-8。

（四）仿真操作界面图

1.固定床塔系统DCS图

仿真系统中固定床塔系统DCS图如图3-6所示。

2.固定床系统现场图

仿真系统中固定床系统现场图如图3-7所示。

三、固定床反应器的操作

（一）开车操作

装置的开工状态为反应器和闪蒸罐都处于已进行过氮气冲压置换后，保压在0.03MPa状态。可以直接进行实气冲压置换。

1.EV429闪蒸器充丁烷

①确认EV429压力为0.03MPa。

②打开EV429回流阀PV1426的前后阀VV1429、VV1430。

③调节PV1426（PIC1426）阀开度为50%。

④EH429通冷却水，打开KXV1430，开度为50%。

⑤打开EV429的丁烷进料阀门KXV1420，开度50%。

⑥当EV429液位到达50%时，关进料阀KXV1420。

2.ER424A反应器充丁烷

（1）确认事项

①反应器0.03MPa保压。

②EV429液位到达50%。

（2）充丁烷。打开丁烷冷剂进ER424A壳层的阀门KXV1423，有液体流过，充液结束；同时打开出ER424A壳层的阀门KXV1425。

3.ER424A启动

（1）启动前准备工作

①ER424A壳层有液体流过。

②打开S3蒸汽进料控制TIC1466。

③调节PIC1426设定，压力控制设定在0.4MPa。

（2）ER424A充压、实气置换

①打开FIC1425的前后阀VV1425、VV1426和KXV1412。

②打开阀KXV1418。

③微开ER424A出料阀KXV1413，丁烷进料控制FIC1425（手动），慢慢增加进料，提高反应器压力，充压至2.523MPa。

④慢开ER424A出料阀KXV1413至50%，充压至压力平衡。

⑤乙炔原料进料控制FIC1425设自动，设定值56186.8kg/h。

（3）ER424A配氢，调整丁烷冷剂压力

①稳定反应器入口温度在38.0℃，使ER424A升温。

②当反应器温度接近38.0℃（超过35.0℃），准备配氢。打开FV1427的前后阀VV1427、VV1428。

③氢气进料控制FIC1427设自动，流量设定80kg/h。

④观察反应器温度变化，当氢气量稳定后，FIC1427设手动。

⑤缓慢增加氢气量，注意观察反应器温度变化。

⑥氢气流量控制阀开度每次增加不超过5%。

⑦氢气量最终加至200kg/h左右，此时H2/C2=2.0，FIC1427投串级。

⑧控制反应器温度44.0℃左右。

（二）正常操作

1.正常工况下工艺参数

（1）正常运行时，反应器温度TI1467A44.0℃，压力PI1424A控制在2.523MPa。

（2）FIC1425设自动，设定值56186.8kg/h，FIC1427设串级。

（3）PIC1426压力控制在0.4MPa，EV429温度TI1426控制在38.0℃。

（4）TIC1466设自动，设定值38.0℃。

（5）ER424A出口氢气浓度低于50×10-6，乙炔浓度低于200×10-6。

（6）EV429液位LI1426为50%。

2.ER424A与ER424B间切换

①关闭氢气进料。

②ER424A温度下降低于38.0℃后，打开C4冷剂进ER424B的阀KXV1424、KXV1426，关闭C4冷剂进ER-424A的阀KXV1423、KXV1425。

③开C2H2进ER424B的阀KXV1415，微开KXV1416。关C2H2进ER-424A的阀KXV1412。

3.ER424B的操作

ER424B的操作与ER424A操作相同。

（三）停车操作

1.正常停车

（1）关闭氢气进料，关VV1427、VV1428，FIC1427设手动，设定值为0%。

（2）关闭加热器EH424蒸汽进料，TIC1466设手动，开度0%。

（3）闪蒸器冷凝回流控制PIC1426设手动，开度100%。

（4）逐渐减少乙炔进料，开大EH429冷却水进料。

（5）逐渐降低反应器温度、压力，至常温、常压。

（6）逐渐降低闪蒸器温度、压力，至常温、常压。

2.紧急停车

（1）与停车操作规程相同。

（2）也可按急停车按钮。

四、固定床反应器典型事故及处理

固定床单元操作的典型事故及处理方法见表3-9。

五、固定床反应器的运行控制

1.温度控制

（1）控制反应器入口温度　对加热炉式换热器提供热源的反应，要严格控制反应器入口物料的温度，即控制加热炉出口温度或换热器终温，这是整个反应装置的重要工艺指标。

（2）控制反应床层间的温度　对剧烈放热反应，应及时移走热量以保证正常生产，在正常的生产操作中，可以通过调节冷激气量来降低床层温度。

（3）原料组成的变化对反应温度的影响　原料组成变化会影响反应速率和反应热效应的变化，进而引起床层温度的变化。

（4）反应初期与末期的温度变化　生产初期，催化剂的活性较高，反应温度可以稍低。随着生产时间的延长，催化剂活性有所下降，可以在允许操作范围内适当提高反应温度。

（5）反应温度的限制　反应器床层任何一点温度超过正常温度一定值时应停止进料；必要时，要采用紧急措施，或启动高压放空系统以防止温度继续升高而引起反应失控。

2.压力控制

反应压力主要通过气体的分压来调节，压力出现波动，对整个反应的影响较大。

（1）压缩机的压力调节　一般情况下，不要改变循环压缩机的出口压力，也不要随便改变高压分离器压力调节器的给定值。如果压力升高，通常通过压缩机每一级的返回量来调节，必要时可通过增加排放量来调节；压力降低，一般需增加新鲜气的补充量。

（2）反应温度的影响　反应温度升高，会导致反应的程度加大，耗气量增加，压力下降，因而反应过程中须严格控制反应温度，尽量避免出现温度波动。

（3）原料变化的影响　原料改变，耗氢量也变，装置压力降低，循环氢压缩机入口流量下降，此时应补充新鲜氢气。如果原料带水，系统压力会上升，系统压差增大。

3.空速控制

在操作过程中，需要进行提温提空速时，应“先提空速后提温”，而降空速降温时则“先降温后降空速”。操作过程中，应尽量避免空速大幅度下降，从而引起反应温度极度升高。