環(huán)氧丙烷調(diào)溫水工藝過程控制系統(tǒng)

陳立軍 任 娟 王冬雪 肖建國 陳偉鳳 王 睿

(1.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林市寰盟科技有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132012；

3.吉林省水資源管理中心，長春 130022；4.吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司，吉林 四平 136001)

環(huán)氧丙烷(PO)是除聚丙烯和丙烯腈外的第三大丙烯衍生物，是重要的基本有機化工合成原料，也是油田破乳劑等的主要原料，現(xiàn)已廣泛用于化工、建筑及醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外工業(yè)PO的生產(chǎn)工藝主要有氯醇法、共氧化法(也稱間接氧化法)和直接氧化法(HPPO工藝)。氯醇法生產(chǎn)工藝成熟、操作負(fù)荷彈性較大、對原料丙烯純度要求不高；缺點是會產(chǎn)生大量含氯化鈣廢水，易對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，并且會消耗大量氯氣。共氧化法克服了氯醇法的缺點，但也有其不利之處，如工藝流程長、對原料規(guī)格要求高、設(shè)備造價高、防爆要求及操作條件嚴(yán)格等[1]。直接氧化法是一種綠色環(huán)保的新型生產(chǎn)工藝，與傳統(tǒng)的PO生產(chǎn)工藝相比，HPPO技術(shù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的副產(chǎn)品極少、流程簡單、產(chǎn)品收率高、投資少、能耗少、無污染，因此受到了越來越多的關(guān)注。

目前，Basf、Dow及韓國SKC等公司先后以過氧化氫直接氧化法生產(chǎn)PO，但是生產(chǎn)過程中會放出大量反應(yīng)熱，而且催化劑具有嚴(yán)格的激活溫度，只有在該激活溫度以上時才能獲得合理的過氧化氫轉(zhuǎn)化率，保證PO的收率；但溫度過高會導(dǎo)致副反應(yīng)增加進而影響PO的選擇性[2]。在現(xiàn)有HPPO生產(chǎn)PO中存在調(diào)溫水控制不穩(wěn)定，達(dá)不到工藝要求的問題。針對這個問題，筆者以某化工廠直接氧化法生產(chǎn)PO過程為研究對象，采用Honeywell Experion PKS過程知識系統(tǒng)，設(shè)計調(diào)溫水自控系統(tǒng)。

某化工廠直接氧化法生產(chǎn)PO工藝的調(diào)溫水自控系統(tǒng)主要由PO反應(yīng)器、調(diào)溫水泵、濕式空冷器(WSAC)單元、公用備用泵、冷卻器和加熱器、流量調(diào)節(jié)閥及溫度調(diào)節(jié)閥等組成。

反應(yīng)器的溫度控制是影響PO產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，因此每個反應(yīng)器都配有一個閉環(huán)調(diào)溫水系統(tǒng)，在30～52℃供給適量的冷卻水，移出大量反應(yīng)熱。調(diào)溫水供給從反應(yīng)器頂部進料，然后一股分流自反應(yīng)器上部區(qū)域排出，其他從反應(yīng)器底部排出。排出水流入PO反應(yīng)器調(diào)溫水泵的吸入管線中，打入調(diào)溫水系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)。調(diào)溫水進入反應(yīng)器的總量和反應(yīng)器各自排放量依照需求總量與調(diào)溫水設(shè)定溫度調(diào)節(jié)，以便在反應(yīng)器內(nèi)獲得均衡的溫度分布，有效地除去反應(yīng)熱，從而實現(xiàn)對反應(yīng)器系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定控制，保證整個反應(yīng)系統(tǒng)正常運行，提高PO的收率和選擇性。

2 控制方案

某化工廠直接氧化法生產(chǎn)PO工藝的調(diào)溫水自控系統(tǒng)的方案設(shè)計如圖1所示。再生-加熱時，加熱溫度控制器對加熱流量控制器進行串級控制，嚴(yán)格控制加熱蒸汽的投入量；再生-制冷時，制冷溫度控制器與參考溫度控制器進行比較，來有效控制冷卻水的投入量，這樣對被控溫度的控制直接且穩(wěn)定。參照其他換熱控制系統(tǒng)，兩個換熱器各自單獨控制，或由人工參與加熱蒸汽和冷卻水的投入，與被控溫度不直接關(guān)聯(lián)?？梢员苊饧訜峄蛑评鋾r由于溫度控制的滯后，投入過多的加熱蒸汽或冷卻水而發(fā)生超調(diào)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)振蕩，致使反應(yīng)器內(nèi)的溫度造成巨大波動，對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生惡劣影響。

圖1 調(diào)溫水自控系統(tǒng)方案

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

某化工廠直接氧化法生產(chǎn)PO工藝調(diào)溫水自控系統(tǒng)采用Honeywell Experion PKS，將人員與過程控制、經(jīng)營和資產(chǎn)管理融合，具有響應(yīng)速度快、可靠性高、安裝方便、易于維護及編程簡單等優(yōu)點[3]。Honeywell Experion PKS為用戶提供了遠(yuǎn)高于DCS的功能，包括嵌入式?jīng)Q策支持和診斷技術(shù)；安全組件保證系統(tǒng)安全環(huán)境獨立于主控系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全和可靠性[4]。

調(diào)溫水自控系統(tǒng)由調(diào)溫水控制單元、操作站、管理中心及通信網(wǎng)絡(luò)等組成。調(diào)溫水Honeywell Experion PKS系統(tǒng)通過容錯以太網(wǎng)通信方式，利用交換機將服務(wù)器、操作站和C300控制器連接起來，現(xiàn)場各儀表單元通過I/O卡件集成到系統(tǒng)[5]。

調(diào)溫水系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示，PO生產(chǎn)過程中，調(diào)溫水系統(tǒng)正常操作，反應(yīng)器底部排出的調(diào)溫水首先通過調(diào)溫水泵進入調(diào)溫水系統(tǒng)，溫度變送器(TWS)標(biāo)頭溫度變送器/控制器通過操縱冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對調(diào)溫水的粗調(diào)控制，旁路溫度控制器操縱旁路溫度控制閥對進行精細(xì)控制。加熱流量控制器工作在手動模式下，輸出0%，終止中壓蒸汽進入調(diào)溫水加熱器。

當(dāng)催化劑活性減弱時，切換到再生模式。在再生過程中，WSAC單元停止運行，調(diào)溫水只通過旁路調(diào)節(jié)閥控制。每個反應(yīng)器上部排出的調(diào)溫水在不同再生模式下分別流過不同的換熱器，使調(diào)溫水溫度始終保持在工藝需要的設(shè)定值。

圖2 調(diào)溫水系統(tǒng)工藝流程

在再生-加熱模式時，被控溫度變送器或加熱溫度控制器投運。加熱溫度控制器通過旁路溫度調(diào)節(jié)閥操縱被加熱水流量來控制溫度，熱水來自調(diào)溫水加熱器。此外，加熱溫度控制器的輸出還作為加熱流量控制器的設(shè)定值，組成串級調(diào)節(jié)回路，控制送至調(diào)溫水加熱器中的中壓蒸汽量。

在再生-制冷模式時，調(diào)溫水冷卻器出口的參考溫度控制器將其信號送至低選器，與被控溫度變送器/制冷溫度控制器比較，低選器輸出操縱旁路溫度調(diào)節(jié)閥的開度。當(dāng)水溫達(dá)到50℃時，被控溫度變送器/旁路溫度控制器開始作用，系統(tǒng)從再生制冷切換到正常模式。加熱流量控制器工作在手動模式下，輸出0%，終止中壓蒸汽進入調(diào)溫水加熱器。

系統(tǒng)工作在不同模式下，對應(yīng)的各溫度控制器的設(shè)定值：正常，加熱速率10℃/h，冷卻速率10℃/h，可在3種模式下單獨設(shè)置。加熱和冷卻速率不應(yīng)超過10℃/h，避免調(diào)溫水溫度波動過大對反應(yīng)器溫度控制造成不良影響。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、顯示、報警、歷史趨勢、報表、數(shù)據(jù)存儲及通信等功能，能夠進行集中監(jiān)視、操作和管理。可以根據(jù)工藝要求和實際生產(chǎn)狀況，對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行實時設(shè)定。

4 現(xiàn)場控制效果

該調(diào)溫水自控系統(tǒng)已應(yīng)用于某化工廠年產(chǎn)30萬t的PO項目中，投運以來，系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定，控制效果良好，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。現(xiàn)場運行效果如圖3所示，圖3a為再生-加熱操作模式下加熱溫度控制器的控制曲線，加熱速率9℃/h；圖3b為再生-制冷操作模式下制冷溫度控制器的控制曲線，冷卻速率9℃/h?？梢钥闯?，即使在再生-加熱/制冷模式下，被控溫度也按要求以一定的速率升高或下降，控制效果理想，充分驗證了自控方案的可行性。

圖3 調(diào)溫水控制系統(tǒng)投運效果

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的直接氧化法生產(chǎn)PO工藝調(diào)溫水自控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對反應(yīng)器溫度的穩(wěn)定控制，系統(tǒng)可以在不同模式下快速切換，并且操作簡便。有效地提高了PO的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品收率，降低了企業(yè)能耗，提高了經(jīng)濟效益。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于某化工廠年產(chǎn)30萬t的PO生產(chǎn)項目中，投運以來，系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。該系統(tǒng)的成功投運降低了操作人員的勞動強度，提高了系統(tǒng)運行的可靠性與連續(xù)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張軍,于春梅.環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)及發(fā)展趨勢[J].化學(xué)工業(yè),2014,32(5):18～21.

[2] 朱斌.HPPO工藝催化劑活性組分研究[J].石油學(xué)報(石油加工),2013,29(2):223～227.

[3] 李艷,張健,朱學(xué)峰,等.DCS控制系統(tǒng)及軟測量技術(shù)在間歇制漿蒸煮過程的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2003,30(4):26～27.

[4] 李生光.國產(chǎn)DCS在大型機組上的應(yīng)用技術(shù)評價[J].電力建設(shè),2009,30(5):71～73.

[5] 王寶剛,李東潔.基于STC89C52的水溫自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(9):111～113.