先進過程控制技術(shù)在四氯乙烯生產(chǎn)中的應用

荊松

(山東濱華新材料有限公司，山東 濱州 251907)

為進一步提高四氯乙烯裝置的綜合自動化水平，穩(wěn)定工藝技術(shù)指標，確保裝置安全穩(wěn)定運行，濱化集團有限公司化工分公司(以下簡稱“濱化化工分公司”)在四氯乙烯裝置原料預處理工序、反應急冷工序、壓縮精制工序引進先進過程控制技術(shù)，實施裝置精細化控制，更好地滿足了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 先進過程控制技術(shù)[1]

單回路PID控制是近幾十年來流程工業(yè)生產(chǎn)過程穩(wěn)定操作的主要控制方法，單回路一般是基于誤差的控制，其關(guān)注點是針對單個控制點，或者非常有限的局部控制。先進過程控制(Advanced Process Control,簡稱APC)是基于模型的多變量控制，將一組工藝變量或一段工藝過程整體控制，并在穩(wěn)定控制的前提下，利用預訂的、有效的操作策略，依據(jù)內(nèi)置的線性或非線性規(guī)劃優(yōu)化算法，對模型進行預先估計的控制，將工藝過程穩(wěn)定在優(yōu)化操作點上，解決大時滯、強耦合的多變量過程控制問題，從而最大限度地提高產(chǎn)品產(chǎn)率、降低消耗、增加經(jīng)濟效益。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善，先進過程控制技術(shù)越來越多地被成功應用于工業(yè)生產(chǎn)中，并取得了顯著成效。

2 工藝過程分析[2]

四氯乙烯裝置在投用APC之前，自動化控制系統(tǒng)采用的是以單回路或串級控制為主要調(diào)節(jié)手段進行單參數(shù)調(diào)節(jié)，雖然能產(chǎn)出合格產(chǎn)品，但是會增大操作人員的操作強度，而且很難在眾多約束條件下找到最佳操作點，無法滿足裝置在高負荷下平穩(wěn)、高效以及節(jié)能降耗的需求；而且四氯乙烯裝置工藝較為復雜，變量較多，隨著裝置負荷不斷增大，變量之間的影響較大，常規(guī)的PID單回路控制很難滿足裝置穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

四氯乙烯主要以碳三以下有機物和氯氣為原料生產(chǎn)的。碳三以下有機物經(jīng)原料預處理工序提純后，在反應器中與氯氣高溫下反應，后經(jīng)急冷工序、壓縮精制工序得到產(chǎn)品四氯乙烯和副產(chǎn)品。濱化化工分公司四氯乙烯設計生產(chǎn)能力為8萬t/a。

2.1 原料預處理工序

該工序主要是反應原料碳三以下有機物的精餾提純，分別經(jīng)脫輕組分塔T-16350、脫重組分塔T-16351和產(chǎn)品精餾塔T-16353提純后得到精制原料。該工序的控制關(guān)鍵點如下。

(1)T-16350的作用是脫除原料中的水等輕組分，該精餾操作為共沸精餾，其塔頂溫度的控制對后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的影響。

(2)T-16351的作用是脫除原料中的碳四及以上重組分，其塔底溫度的控制對于能耗以及產(chǎn)品收率具有重要影響。

(3)T-16353的作用是對原料的進一步提純，以得到合格產(chǎn)品，產(chǎn)品原料由其底部產(chǎn)出，因此底溫的控制對最終產(chǎn)品的質(zhì)量具有決定性的影響。

(4)3個塔的精餾尾氣最終匯入同一管線，進行有組織焚燒處理，因此，3個塔的壓力控制對于整個原料提純操作具有重要的影響。

2.2 反應急冷工序

該工序主要是碳三以下有機物高溫氯化生成四氯乙烯以及其他副產(chǎn)品，經(jīng)后續(xù)的五級冷卻分離后進入壓縮精制工序進一步提純，該工序的關(guān)鍵控制點如下。

(1)從安全環(huán)保方面考慮，整個反應過程中始終保持氯氣過量。但是氯氣過量會增大副反應的發(fā)生，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率，因此如何精確地控制好反應原料的配比，成為提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率、保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

(2)反應溫度對整個反應影響很大。反應器溫度高則副產(chǎn)高沸物的量增多，反應器溫度低則四氯乙烯的收率減少。為平衡裝置生產(chǎn)需求，須將反應器溫度控制在某一固定區(qū)間。而反應器的溫度是由循環(huán)稀釋劑的量來控制的，循環(huán)稀釋劑量的精準動態(tài)控制是該工序的關(guān)鍵控制點。

(3)當反應負荷一定時，所需要的循環(huán)稀釋劑的量是一定的，主要是調(diào)節(jié)氣、液相稀釋劑的比值來影響反應。在反應負荷一定、溫度一定，反應副產(chǎn)高沸物的產(chǎn)量并不會因為氣、液相稀釋劑用量比值而發(fā)生變化，但是四氯乙烯的收率會隨著氣、液相稀釋劑用量比值的減小而減小，因此，氣、液相稀釋劑用量比值也是該工序的一個關(guān)鍵控制點。

2.3 壓縮精制工序

該工序是處理來自反應急冷工序的物料，來自反應急冷工序的物料分為液相和氣相。氣相物料經(jīng)壓縮機壓縮后精餾提純，液相物料經(jīng)產(chǎn)品脫輕組分塔T-16309和脫重組分塔T-16310后產(chǎn)出合格四氯乙烯，由于壓縮機系統(tǒng)自動化程度較高且運行穩(wěn)定，因此壓縮機系統(tǒng)暫不考慮投用APC。該工序的精餾操作關(guān)鍵點如下。

(1)T-16309的塔壓對該塔的操作穩(wěn)定性影響較大，塔壓的變化將直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，T-16309的塔壓是該工序的一個關(guān)鍵控制點。

(2)T-16310塔頂物料將作為最終產(chǎn)品產(chǎn)出，塔頂物料的質(zhì)量由塔頂溫度決定，因此，T-16310塔頂溫度是該工序的一個關(guān)鍵控制點。

3 APC在四氯乙烯生產(chǎn)上的應用方案

3.1 原料預處理工序

通過測試得出的原料預處理工序先進控制器結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 原料預處理工序控制器變量列表Table 1 Variables of controllers for raw material pretreatment procedure

蒸汽壓力波動和進料流量為不可控因素，作為干擾變量，T16350回流罐內(nèi)設隔板,通過上部溢流進入回流，下部分離的雜質(zhì)通過排液實現(xiàn)分離。T16350回流罐液位是非常重要的控制指標，將其設置為CV01以保證產(chǎn)品質(zhì)量和回流泵的正常運行。為保證各塔的出料合格率，將各塔的回流比作為被控變量(CV03、CV07、CV09)加以控制。通過各操縱變量、被控變量與干擾變量的相互配合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)各塔的穩(wěn)定運行，降低蒸汽消耗。

3.2 反應急冷工序

通過測試得出的反應急冷工序先進控制器結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 反應急冷工序控制器變量列表Table 2 Variables of controllers for reaction quench procedure

進反應器精制原料和氯氣的溫度易受反應負荷及系統(tǒng)壓力等變量的影響，故將其設為干擾變量(DV01、DV02)。反應器出入口溫差及過氯含量都是反應的重要指標，急冷塔塔頂溫度則直接影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，故將這3個變量設定為重要控制參數(shù)(CV03、CV04、CV06)加以控制，保證過氯量在安全范圍內(nèi)，使反應正常進行。反應溫度、原料配比及稀釋劑的配比是極其重要的參數(shù)，其波動將會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，將其設定為小范圍波動(CV01、CV02、CV09)，以保證各物料配比的精確性。通過以上控制，反應急冷工序在安全穩(wěn)定運行的前提下，達到了物料反應的最大化，大大提高了裝置的生產(chǎn)水平和穩(wěn)定性。

3.3 壓縮精制工序

通過測試得出的壓縮精制工序先進控制器結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 壓縮精制工序控制器變量列表Table 3 Variables of controllers for compression refinement procedure

同樣的，壓縮精制工序?qū)⒁资芡饨缬绊懙淖兞俊羝麎毫?、T-16310進料量以及T-16310的補氮調(diào)節(jié)閥的閥位設定為干擾變量。T-16309底部物料是要進一步提純的產(chǎn)品，其物料的質(zhì)量是重要控制參數(shù)，因此將塔底的溫度和壓力設定為重要被制變量(CV02、CV04)，以保證塔底物料合格。T-16310塔的塔壓對整個塔的穩(wěn)定操作影響重大，其回流罐液位以及塔下部壓力是重要指標參數(shù)，故將其設定為重要被控變量(CV05、CV08)，以保證T-16310塔的穩(wěn)定操作。

通過以上控制，將各重要參數(shù)進行優(yōu)化，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，也最大程度地降低了裝置的能耗。

4 APC應用效果

濱化化工分公司四氯乙烯裝置APC投用后在關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化以及提能降耗上取得了較好的效果(見表4～表7)。

表4 APC投用前后原料預處理工序關(guān)鍵參數(shù)的比較Table 4 Key parameters of raw material pretreatment procedure before and after APC is put into operation

表5 APC投用前后原料預處理工序產(chǎn)量及消耗對比Table 5 Output and consumption in raw material pretreatment procedure before and after APC is put into operation

表6 APC投用前后反應急冷工序及壓縮精制工序關(guān)鍵參數(shù)比較Table 6 Key parameters of raw material pretreatment procedure and those of compression refinement procedure before and after APC is put into operation

表7 APC投用前后反應急冷工序及壓縮精制工序產(chǎn)量及消耗對比Table 7 Output and consumption in raw material pretreatment procedure and in compression refinement procedure before and after APC is put into operation

5 結(jié)論

濱化化工分公司四氯乙烯裝置實施APC后，在原料預處理工序、反應急冷工序和壓縮精制工序均取得了明顯的效果，主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)提高裝置運行平穩(wěn)率，降低操作人員勞動強度。原料預處理工序的三塔T16350、T16351、T16353的回流罐及塔釜液位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，大幅減少了操作人員的工作量。壓縮精制工序的T16309及T16310塔實現(xiàn)了關(guān)鍵溫度測點(TI163040.PV、TIC163055.PV)的自動控制，使兩塔運行更加平穩(wěn)和安全。反應急冷的反應器實現(xiàn)了溫差、進料比、過氯量的約束協(xié)調(diào)控制。

(2)提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)品收率。APC的實施，極大地提高了裝置的自動控制水平，也提高了用來表征產(chǎn)品質(zhì)量的各被控變量(如T16309頂溫、T16310塔下部溫度)等主要參數(shù)的運行平穩(wěn)性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的均勻度，一定程度上提高了產(chǎn)品的合格率及收率。

(3)節(jié)能降耗。節(jié)能降耗主要體現(xiàn)在蒸汽單耗和用電單耗上，根據(jù)表5和表7的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按四氯乙烯產(chǎn)能8萬t/a(精二氯丙烷4.4萬t/a)、電價0.5元/(kW·h)、蒸汽價格194元/t計算可得：減少蒸汽費用633.216萬元/a，減少電費68.862萬元/a。