先進(jìn)過程控制技術(shù)在環(huán)氧丙烷生產(chǎn)中的應(yīng)用

張恩濤 ，田毅丹

(濱化集團(tuán)股份有限公司，山東 濱州 256600)

先進(jìn)過程控制(Advanced Process Control，簡稱APC)是基于現(xiàn)代控制理論的一種新技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、過程控制和工藝于一體的現(xiàn)代過程控制技術(shù)，是對常規(guī)控制技術(shù)的發(fā)展。自20世紀(jì)30年代以來，隨著自動(dòng)化技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，先進(jìn)控制越來越多地被成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并取得了顯著的成果，目前普遍應(yīng)用的是以預(yù)測控制理論為基礎(chǔ)的控制技術(shù)[1-2]。

1 工藝過程分析

環(huán)氧丙烷裝置具有工藝復(fù)雜、變量多、變量間的相互干擾大等特點(diǎn)，使用常規(guī)PID控制回路只能滿足單個(gè)回路的穩(wěn)定性，很難實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)多個(gè)變量最優(yōu)化的目標(biāo)，因此濱化集團(tuán)股份有限公司化工分公司(以下簡稱“濱化化工分公司”)決定在環(huán)氧丙烷裝置采用APC技術(shù)，最大程度地對裝置進(jìn)行挖潛，降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

該環(huán)氧丙烷裝置是濱化化工分公司自行設(shè)計(jì)的，主要是以丙烯、氯氣和Ca(OH)2溶液為原料，經(jīng)過氯醇化工序、皂化工序、精餾工序得到成品環(huán)氧丙烷和副產(chǎn)品。裝置生產(chǎn)能力為17.5萬t/a。

1.1 氯醇化工序

該工序主要是使氯氣與丙烯在一定條件下反應(yīng)生成氯丙醇,該工序的控制關(guān)鍵點(diǎn)如下。

(1)從安全與環(huán)保方面考慮，整個(gè)反應(yīng)中應(yīng)始終保持丙烯過量。但是丙烯的過量卻加大了生產(chǎn)成本，因此，如何實(shí)現(xiàn)丙烯與氯氣精準(zhǔn)控制成為提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降低能耗、提高安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

(2)反應(yīng)壓力對于整個(gè)反應(yīng)過程影響很大。較高的操作壓力可以提高丙烯與氯氣在水中的溶解度，減少能耗；但是在壓力提高的同時(shí)，會(huì)加劇設(shè)備的腐蝕。因此，反應(yīng)壓力的控制是制約產(chǎn)品產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

(3)理論上循環(huán)氣(丙烯)量越大，溶液(氯丙醇)中氣含量越大，但是當(dāng)氣泡飽和時(shí)，循環(huán)氣的增加又會(huì)降低氣含量，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，因此循環(huán)氣量的大小也是該工序需要控制的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2 皂化工序

此單元為氯醇化工序中生成的氯丙醇與Ca(OH)2溶液反應(yīng)生成粗環(huán)氧丙烷。該工序控制關(guān)鍵點(diǎn)如下。

(1)在皂化反應(yīng)過程中，為了使氯丙醇反應(yīng)充分，工藝要求Ca(OH)2溶液過量。如果能準(zhǔn)確控制氯丙醇與Ca(OH)2溶液的反應(yīng)比值，將可以大大降低氫氧化鈣溶液的用量，可以最大化提高裝置的生產(chǎn)能力、節(jié)約成本。

(2)皂化塔的反應(yīng)溫度也是影響該單元生產(chǎn)能力的關(guān)鍵點(diǎn)：溫度過低，會(huì)造成反應(yīng)速率降低，同時(shí)也會(huì)造成氯丙醇的轉(zhuǎn)化率降低；溫度過高，則會(huì)造成副產(chǎn)品的生成，降低皂化系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

(3)環(huán)氧丙烷易水解成丙二醇，因此，皂化反應(yīng)過程應(yīng)選擇一個(gè)較適宜的塔內(nèi)停留時(shí)間。如果時(shí)間過長，環(huán)氧丙烷將會(huì)水解；時(shí)間過短，則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不完全。因此，停留時(shí)間的控制成為皂化系統(tǒng)產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

1.3 精餾工序

精餾工序主要是粗環(huán)氧丙烷通過脫輕塔分離輕組分后，進(jìn)入精餾塔進(jìn)行提純，得到成品環(huán)氧丙烷和副產(chǎn)品。該工序控制關(guān)鍵點(diǎn)如下。

(1)精餾塔的回流比(即回流量與出料量的比值)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。如果回流比過大，會(huì)使塔頂輕組分增加，但是會(huì)降低產(chǎn)品的產(chǎn)量；如果回流比過小，則會(huì)導(dǎo)致塔頂重組分增加，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。

(2)適當(dāng)控制好進(jìn)料量和溫度，可以在滿足產(chǎn)量最大化的同時(shí)，最大程度地降低精餾工序所使用的蒸汽量，降低消耗；進(jìn)料量與溫度的穩(wěn)定也能使塔中的負(fù)荷穩(wěn)定，保持最優(yōu)氣液平衡，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

(3)塔中壓力是影響產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。壓力升高，塔頂輕組分濃度增大，重組分減少，產(chǎn)品質(zhì)量提高，但相對的塔頂餾分?jǐn)?shù)量少，產(chǎn)品產(chǎn)量降低；反之，產(chǎn)品產(chǎn)量會(huì)得到提高，但是質(zhì)量會(huì)有所下降。

(4)對于依靠溫度進(jìn)行物理處理的精餾工序來說，溫度控制可以說是裝置運(yùn)行的保證，因此，溫度控制恰當(dāng)是保證精餾單元產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的最關(guān)鍵因素。

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)在環(huán)氧丙烷裝置上的應(yīng)用

2.1 氯醇化工序

通過測試得出的氯醇化系統(tǒng)先進(jìn)控制器結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 氯醇化工序部分控制器變量列表

通過被控變量CV02將反應(yīng)器頂部壓力控制在適宜范圍內(nèi)時(shí)，能在保護(hù)設(shè)備的同時(shí)，確保丙烯與氯氣的溶解度，促使反應(yīng)的正向進(jìn)行，在保護(hù)設(shè)備和產(chǎn)品產(chǎn)量上找到最佳值；控制好CV04可以確保循環(huán)氣中氧含量在安全濃度范圍內(nèi)，保證了生產(chǎn)的安全性和環(huán)保；CV05范圍的設(shè)定可以精確控制反應(yīng)器中物料的配比，在保證反應(yīng)充分的前提下，最大程度節(jié)約原料，降低成本。通過以上控制策略的實(shí)施，使得氯醇化系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，達(dá)到了物料反應(yīng)最大化，大大提高了裝置的生產(chǎn)水平和穩(wěn)定性。

2.2 皂化工序

皂化系統(tǒng)是整個(gè)環(huán)氧丙烷裝置的中間單元，影響整個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，皂化系統(tǒng)先進(jìn)控制器結(jié)構(gòu)關(guān)系如表2所示。

由于皂化回流液溫度對于產(chǎn)品的生成具有較大影響，因此將皂化塔頂冷凝器的回流溫度TI4209和TI4211設(shè)定為CV01和CV02，操縱變量MV01、MV02調(diào)節(jié)被控變量CV01和CV02。在控制器中對MV01、MV02做了優(yōu)化控制，即在滿足CV01的前提下，MV02最大化，MV01最小化，這樣就降低了冷凝水和蒸汽的消耗；為了能最大程度地促使皂化反應(yīng)的進(jìn)行，在皂化系統(tǒng)中增加了測量Ca(OH)2溶液密度的密度計(jì)，同時(shí)將氯丙醇濃度納入系統(tǒng)，由此就得到了CV03(皂化塔中Ca(OH)2與PCH摩爾比)，進(jìn)而可以對皂化反應(yīng)進(jìn)行精確配比控制，實(shí)現(xiàn)物料的最佳反應(yīng)條件，使能耗達(dá)到最小。

表2 皂化工序部分控制器變量列表

2.3 精餾工序

精餾工序控制器結(jié)構(gòu)關(guān)系如表3所示。

表3 精餾工序部分控制器變量列表

該工序主要設(shè)備為脫輕塔和精餾塔，設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是生產(chǎn)的關(guān)鍵，因此，將粗PO儲(chǔ)罐的液位作為CV01進(jìn)行控制，可以確保脫輕塔進(jìn)料量的穩(wěn)定。為了保證脫輕塔出料的穩(wěn)定，將脫輕塔頂冷凝器E-4302的壓力閥位、脫輕放空溫度、脫輕回流罐液位作為被控變量(CV02、CV03、CV04)加以控制，實(shí)現(xiàn)脫輕塔的穩(wěn)定性，也降低了蒸汽等能源的消耗。

精餾塔作為環(huán)氧丙烷裝置的最后工序，它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，因此首先考慮精餾塔的穩(wěn)定性，將脫輕塔底緩沖罐液位作為CV05進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)精餾塔進(jìn)料的穩(wěn)定性；在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，產(chǎn)品產(chǎn)量的最大化，意味著效益最大化，因此，將精餾塔回流比、 進(jìn)料溫度、塔釜溫度均作為CV進(jìn)行控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量；能耗是一個(gè)裝置運(yùn)行效益的重要指標(biāo)，精餾系統(tǒng)采用先進(jìn)過程控制技術(shù)的目的是最大程度降低能耗。

3 應(yīng)用效果

濱化化工分公司環(huán)氧丙烷裝置先進(jìn)過程控制技術(shù)在幾個(gè)關(guān)鍵并且可能的控制點(diǎn)上都取得了較好的效果(見表4、表5)。

由表4、表5可以看出：整個(gè)裝置采用先進(jìn)過程控制技術(shù)后，在裝置平穩(wěn)率、降低能源消耗、提高產(chǎn)量方面起到了顯著的作用，估算年增加效益在600萬元以上。