流化床反應器壓力監(jiān)控方案探討
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流化床反應器壓力監(jiān)控方案探討
流化床反應器壓力監(jiān)控方案探討
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石 油 化 工 自 動 化，2010，3：29
過程控制 AUT()MATl0NINPETRO-CHEMICALINDUSTRY
流化床反應器壓力監(jiān)控方案探討
李秀春
(中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院，吉林吉林 132002)
摘要：有機硅單體合成工藝是氣一固兩相的反應過程，由于硅粉的硬度大而且反應的附加物有黏性，經(jīng)常出現(xiàn)磨損和堵塞
造成生產(chǎn)裝置檢修頻率高，操作狀況難，現(xiàn)場檢測儀表經(jīng)常處于癱瘓狀態(tài)。簡單介紹有機硅單體合成流化床反應工藝過程及其
對測量控制的要求，剖析流化床理想流化狀態(tài)的床層壓降是一個固定值，得出床層是否處于理想流化狀態(tài)，可以通過測量床層
壓力來間接判斷。詳細敘述了吹氣法測量流化床壓力方法和具體實施方案。
關(guān)鍵詞：流化床；單體合成；床層分布；吹氣法測量
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2010)03—0029—03
Exploration toPressure Monitoring Plan for the Fluidized Bed Reactor
Li Xiuchun
(Petrochina Refining-Chemical Northeast Eng．Co．Ltd．，Jilin Design Ins．，Jilin，132002，China)
Abstract：The organic silicone monomer synthesis process is a gas-solid two phase reaction process．
Because the silicone powder’S hardness is big and the reacted additive is viscous，thus resulting in
abrasion and stoppage．Therefore the production plant is frequently overhauled and the operation is very
hard and the field detecting instruments are often in paralyzed state．Reaction process，measuring and
control requirements of fluidized bed reactor of organic silicone monomer synthesis have been briefly
introduced．The bed layer pressure drop in an ideal fluidizing state is a fixed value，whether the bed
layer is in a ideal fluidizing state or not can be indirectly judged according to measuring bed layer
pressure．Measuring fluidized bed pressure method and specific implementing plans by blowing is
described in detail．
Keywords：fluidized bed；monomer synthesis；bed layer distribution；measuring bythe blowing method
0 引 言 在直接測量流化床床層分布不易實現(xiàn)的情況
流化床反應器是氣一固相反應常用的一種反應 下，需要尋求一個間接測量方法來反映流化床的流
器。研究流化床反應器內(nèi)流體流動的目的在于了 化狀態(tài)。因為在理想流化狀態(tài)下，床層壓降是一個
解和掌握氣體和固體在流化床中的運動規(guī)律，判斷 固定值，可以采用分段測量床層壓力的間接測量方
流化床是否處于理想的流化狀態(tài)，可以通過測量床 法來判斷床層高度及其分布情況。
層壓力來實現(xiàn)u噸o。 1 流化狀態(tài)的形成過程
由于流化床內(nèi)物料和觸媒的工況很復雜，而且 流化狀態(tài)的形成原理如圖1所示。
指型管冷卻器占流化床內(nèi)密度很大，因此給床層高 當流體自下而上流過顆粒床層時，如果流速很
度測量帶來很多困難。最初在吉林石化有機硅流 小，流體從顆粒之間的縫隙穿過，床層高度保持不
化床曾經(jīng)應用7射線料位測量儀，應用過程中存在 變，而床層壓力降Ap卻隨流體速率U的增加而增
一些難以克服的問題。流化床內(nèi)指形管過于密集， 加，二者在對數(shù)坐標圖上成直線關(guān)系，如AB段，當
很難找到合適的縫隙來發(fā)射和接收射線，即使初次 流速增大到一定值時，床層壓力降大致等于單位面
安裝時能夠找到一個合適的位置，但由于流化床工
藝是間歇式操作，運行一段時間需要停車檢修，在 收稿日期：2010—01-28(修改穡)。
檢修的過程中，吊裝指形管后再次安裝料位儀，射 作者簡介：李秀眷(1971～)女，內(nèi)蒙古通遼人，1993年畢業(yè)于
線又會被指形管擋住，使得射線的衰減程度無法準 吉林省電氣化高等?？茖W校自動化儀表專業(yè)，2006年畢業(yè)于北京
確預測。 化工大學計算機科學與應用專業(yè)，任工程師。
萬方數(shù)據(jù)石油化工自動化
積的床層質(zhì)量，如直線關(guān)系由A至B點，流速再增 3流化床床層壓力檢測方案
加，固體顆粒的位置略有調(diào)整，床層膨脹，其空隙率 流化床床層壓力測量主要應解決耐磨和測量
開始增加，壓力降的增加略微變緩，松動以后開始 管路防堵問題。為了解決這兩個問題，曾經(jīng)應用過
流化。在獲得流化狀態(tài)的料層后，再逐漸降低流 兩種單法蘭壓力變送器：利用插入式法蘭壓力變
速，床層高度下降到D點，固體顆?；ハ嘟佑|而形 送器測量床層壓力，因為流化床內(nèi)硅粉處于流化狀
成靜止的固定床。由于床層被吹松動，而后顆粒下 態(tài)，硅粉在床內(nèi)是運動的，造成變送器的測量膜片
落，所以它比原來的固定床具有較大的空隙率，再 磨損嚴重，裝置運行中無法更換膜片，所以，膜片一
繼續(xù)減低流速，流速與壓力降的關(guān)系不再恢復至直 旦磨損，裝置就出現(xiàn)盲操作狀態(tài)，對反應質(zhì)量品質(zhì)
線BA，而是沿DG變化。DG的延長線與直線EF 造成嚴重影響；利用平法蘭式壓力變送器測量床層
的延長線交于Tn點，與m點相應的床內(nèi)氣速稱為 壓力，這種方法因為從變送器測量膜片到流化床床
臨界(或最小)流化速率U。，。相應的空隙率稱為臨 壁有一段短管，短管有一傾斜角，這樣硅粉與膜片
界空隙率￡。f。 摩擦相對小，膜片磨損問題基本可以解決，但是流
化床內(nèi)的單體合成反應過程中會出現(xiàn)一些黏稠狀
的副產(chǎn)品，這些黏稠物漸漸地把取壓短管堵死，在
裝置運行期間，同樣會出現(xiàn)前一種結(jié)果。
上述兩種流化床床層測量壓力的方法都得不
到滿意的應用，2002年，在吉林石化分公司電石廠
25 kt／a有機硅單體合成試驗裝置中，嘗試用反吹
法測量流化床床層壓力。
附 甜 wf 4吹氣法在流化床床層壓力測量上的應用
圖1 流速與壓力降關(guān)系 根據(jù)傳統(tǒng)的吹氣法測量液位的原理可以引導
出間接測量其床層高度的方法，區(qū)別在于前者的測
當床內(nèi)流體線速率超過臨界流化點7"1"／后繼續(xù)
量介質(zhì)是液體，后者的測量介質(zhì)是可流動的固體。
增加，床層亦繼續(xù)膨脹，空隙率也繼續(xù)增大，但床層
該有機硅裝置采用機械可活動式防堵吹氣取壓頭
壓力降基本保持不變，氣一固系統(tǒng)中固體顆粒完全
來檢測床內(nèi)部的壓力。每臺流化床共設置四個不
懸浮而類似于流體的流動性，流化狀態(tài)就形成了，
同高度的吹氣式測壓裝置，根據(jù)床層高度的變化情
此階段即為流化階段LlJ。
況改變?nèi)氪驳穆燃淄榱髁亢脱a入觸媒數(shù)量Ho。
2測量流化床床層壓力的意義
4．1 反吹法測量液位原理
在忽略器壁效應的情況下，作用于固體顆粒上
圖2所示為反吹法測量液位原理¨o。反吹氣
的力有兩種：向下作用的重力；向上的浮力和流體
(可根據(jù)工藝介質(zhì)的性質(zhì)特點選擇不同的反吹氣，
阻力。在顆粒懸浮靜止時，向上和向下的作用力相
如空氣、氮氣等)通過入口切斷閥進入穩(wěn)壓和流量
等，可表示為
調(diào)節(jié)組件，在穩(wěn)壓和流量調(diào)節(jié)組件中先經(jīng)過針形閥
^mfA。(1一E。f)Rg=hmfA。(1一‰)Pfg+△硝。
節(jié)流，再經(jīng)過穩(wěn)壓繼動器將反吹氣壓力和被測量壓
得床層壓力降為 力穩(wěn)定于微小的差壓值上，使反吹氣以穩(wěn)定的流量
進入轉(zhuǎn)子流量計，從轉(zhuǎn)子流量計出來的反吹氣緩慢
Ap=hmf(1—6mf)(R—R)g
而均勻地經(jīng)三通后，一路進入壓力變送器，另一路
式中 Ap——流化床壓力降；A。——床層截面
進入被測容器中，這時測量壓力等于被測容器中反
積；I}l耐——臨界流化點處的床層高度；E：rnf——臨
吹管出氣口的壓力，液位高度按下式計算：
界空隙率；以——固體顆粒表觀密度；n——流體
H—P／Pg
密度；g——重力加速度。
上式說明當床層處于流化狀態(tài)時，隨著氣速的 式中 H——液位高度；戶——測量壓力。
增大，床層高度和空隙率增加，但床層壓降卻不改 4．2測量流化床床層壓力方法
變，即床層處于流化狀態(tài)時，床層壓降是一個固定 該電石廠25kt／a有機硅單體合成試驗裝置中
過程控制 AUT()MATl0NINPETRO-CHEMICALINDUSTRY
流化床反應器壓力監(jiān)控方案探討
李秀春
(中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院，吉林吉林 132002)
摘要：有機硅單體合成工藝是氣一固兩相的反應過程，由于硅粉的硬度大而且反應的附加物有黏性，經(jīng)常出現(xiàn)磨損和堵塞
造成生產(chǎn)裝置檢修頻率高，操作狀況難，現(xiàn)場檢測儀表經(jīng)常處于癱瘓狀態(tài)。簡單介紹有機硅單體合成流化床反應工藝過程及其
對測量控制的要求，剖析流化床理想流化狀態(tài)的床層壓降是一個固定值，得出床層是否處于理想流化狀態(tài)，可以通過測量床層
壓力來間接判斷。詳細敘述了吹氣法測量流化床壓力方法和具體實施方案。
關(guān)鍵詞：流化床；單體合成；床層分布；吹氣法測量
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2010)03—0029—03
Exploration toPressure Monitoring Plan for the Fluidized Bed Reactor
Li Xiuchun
(Petrochina Refining-Chemical Northeast Eng．Co．Ltd．，Jilin Design Ins．，Jilin，132002，China)
Abstract：The organic silicone monomer synthesis process is a gas-solid two phase reaction process．
Because the silicone powder’S hardness is big and the reacted additive is viscous，thus resulting in
abrasion and stoppage．Therefore the production plant is frequently overhauled and the operation is very
hard and the field detecting instruments are often in paralyzed state．Reaction process，measuring and
control requirements of fluidized bed reactor of organic silicone monomer synthesis have been briefly
introduced．The bed layer pressure drop in an ideal fluidizing state is a fixed value，whether the bed
layer is in a ideal fluidizing state or not can be indirectly judged according to measuring bed layer
pressure．Measuring fluidized bed pressure method and specific implementing plans by blowing is
described in detail．
Keywords：fluidized bed；monomer synthesis；bed layer distribution；measuring bythe blowing method
0 引 言 在直接測量流化床床層分布不易實現(xiàn)的情況
流化床反應器是氣一固相反應常用的一種反應 下，需要尋求一個間接測量方法來反映流化床的流
器。研究流化床反應器內(nèi)流體流動的目的在于了 化狀態(tài)。因為在理想流化狀態(tài)下，床層壓降是一個
解和掌握氣體和固體在流化床中的運動規(guī)律，判斷 固定值，可以采用分段測量床層壓力的間接測量方
流化床是否處于理想的流化狀態(tài)，可以通過測量床 法來判斷床層高度及其分布情況。
層壓力來實現(xiàn)u噸o。 1 流化狀態(tài)的形成過程
由于流化床內(nèi)物料和觸媒的工況很復雜，而且 流化狀態(tài)的形成原理如圖1所示。
指型管冷卻器占流化床內(nèi)密度很大，因此給床層高 當流體自下而上流過顆粒床層時，如果流速很
度測量帶來很多困難。最初在吉林石化有機硅流 小，流體從顆粒之間的縫隙穿過，床層高度保持不
化床曾經(jīng)應用7射線料位測量儀，應用過程中存在 變，而床層壓力降Ap卻隨流體速率U的增加而增
一些難以克服的問題。流化床內(nèi)指形管過于密集， 加，二者在對數(shù)坐標圖上成直線關(guān)系，如AB段，當
很難找到合適的縫隙來發(fā)射和接收射線，即使初次 流速增大到一定值時，床層壓力降大致等于單位面
安裝時能夠找到一個合適的位置，但由于流化床工
藝是間歇式操作，運行一段時間需要停車檢修，在 收稿日期：2010—01-28(修改穡)。
檢修的過程中，吊裝指形管后再次安裝料位儀，射 作者簡介：李秀眷(1971～)女，內(nèi)蒙古通遼人，1993年畢業(yè)于
線又會被指形管擋住，使得射線的衰減程度無法準 吉林省電氣化高等?？茖W校自動化儀表專業(yè)，2006年畢業(yè)于北京
確預測。 化工大學計算機科學與應用專業(yè)，任工程師。
萬方數(shù)據(jù)石油化工自動化
積的床層質(zhì)量，如直線關(guān)系由A至B點，流速再增 3流化床床層壓力檢測方案
加，固體顆粒的位置略有調(diào)整，床層膨脹，其空隙率 流化床床層壓力測量主要應解決耐磨和測量
開始增加，壓力降的增加略微變緩，松動以后開始 管路防堵問題。為了解決這兩個問題，曾經(jīng)應用過
流化。在獲得流化狀態(tài)的料層后，再逐漸降低流 兩種單法蘭壓力變送器：利用插入式法蘭壓力變
速，床層高度下降到D點，固體顆?；ハ嘟佑|而形 送器測量床層壓力，因為流化床內(nèi)硅粉處于流化狀
成靜止的固定床。由于床層被吹松動，而后顆粒下 態(tài)，硅粉在床內(nèi)是運動的，造成變送器的測量膜片
落，所以它比原來的固定床具有較大的空隙率，再 磨損嚴重，裝置運行中無法更換膜片，所以，膜片一
繼續(xù)減低流速，流速與壓力降的關(guān)系不再恢復至直 旦磨損，裝置就出現(xiàn)盲操作狀態(tài)，對反應質(zhì)量品質(zhì)
線BA，而是沿DG變化。DG的延長線與直線EF 造成嚴重影響；利用平法蘭式壓力變送器測量床層
的延長線交于Tn點，與m點相應的床內(nèi)氣速稱為 壓力，這種方法因為從變送器測量膜片到流化床床
臨界(或最小)流化速率U。，。相應的空隙率稱為臨 壁有一段短管，短管有一傾斜角，這樣硅粉與膜片
界空隙率￡。f。 摩擦相對小，膜片磨損問題基本可以解決，但是流
化床內(nèi)的單體合成反應過程中會出現(xiàn)一些黏稠狀
的副產(chǎn)品，這些黏稠物漸漸地把取壓短管堵死，在
裝置運行期間，同樣會出現(xiàn)前一種結(jié)果。
上述兩種流化床床層測量壓力的方法都得不
到滿意的應用，2002年，在吉林石化分公司電石廠
25 kt／a有機硅單體合成試驗裝置中，嘗試用反吹
法測量流化床床層壓力。
附 甜 wf 4吹氣法在流化床床層壓力測量上的應用
圖1 流速與壓力降關(guān)系 根據(jù)傳統(tǒng)的吹氣法測量液位的原理可以引導
出間接測量其床層高度的方法，區(qū)別在于前者的測
當床內(nèi)流體線速率超過臨界流化點7"1"／后繼續(xù)
量介質(zhì)是液體，后者的測量介質(zhì)是可流動的固體。
增加，床層亦繼續(xù)膨脹，空隙率也繼續(xù)增大，但床層
該有機硅裝置采用機械可活動式防堵吹氣取壓頭
壓力降基本保持不變，氣一固系統(tǒng)中固體顆粒完全
來檢測床內(nèi)部的壓力。每臺流化床共設置四個不
懸浮而類似于流體的流動性，流化狀態(tài)就形成了，
同高度的吹氣式測壓裝置，根據(jù)床層高度的變化情
此階段即為流化階段LlJ。
況改變?nèi)氪驳穆燃淄榱髁亢脱a入觸媒數(shù)量Ho。
2測量流化床床層壓力的意義
4．1 反吹法測量液位原理
在忽略器壁效應的情況下，作用于固體顆粒上
圖2所示為反吹法測量液位原理¨o。反吹氣
的力有兩種：向下作用的重力；向上的浮力和流體
(可根據(jù)工藝介質(zhì)的性質(zhì)特點選擇不同的反吹氣，
阻力。在顆粒懸浮靜止時，向上和向下的作用力相
如空氣、氮氣等)通過入口切斷閥進入穩(wěn)壓和流量
等，可表示為
調(diào)節(jié)組件，在穩(wěn)壓和流量調(diào)節(jié)組件中先經(jīng)過針形閥
^mfA。(1一E。f)Rg=hmfA。(1一‰)Pfg+△硝。
節(jié)流，再經(jīng)過穩(wěn)壓繼動器將反吹氣壓力和被測量壓
得床層壓力降為 力穩(wěn)定于微小的差壓值上，使反吹氣以穩(wěn)定的流量
進入轉(zhuǎn)子流量計，從轉(zhuǎn)子流量計出來的反吹氣緩慢
Ap=hmf(1—6mf)(R—R)g
而均勻地經(jīng)三通后，一路進入壓力變送器，另一路
式中 Ap——流化床壓力降；A。——床層截面
進入被測容器中，這時測量壓力等于被測容器中反
積；I}l耐——臨界流化點處的床層高度；E：rnf——臨
吹管出氣口的壓力，液位高度按下式計算：
界空隙率；以——固體顆粒表觀密度；n——流體
H—P／Pg
密度；g——重力加速度。
上式說明當床層處于流化狀態(tài)時，隨著氣速的 式中 H——液位高度；戶——測量壓力。
增大，床層高度和空隙率增加，但床層壓降卻不改 4．2測量流化床床層壓力方法
變，即床層處于流化狀態(tài)時，床層壓降是一個固定 該電石廠25kt／a有機硅單體合成試驗裝置中
