集散控制系統(tǒng)在磷銨氮磷比計算中的應(yīng)用

蘇春霞

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北 鐘祥 431910）

磷銨氮磷比又稱中和度，定義為磷銨料漿中液氨和磷酸的物質(zhì)的量之比。當(dāng)中和度為1.0時，料漿中的磷銨完全以磷酸一銨形式存在；當(dāng)中和度為2.0時，料漿中的磷銨完全以磷酸二銨形式存在［1］。傳統(tǒng)法磷酸二銨生產(chǎn)過程中，氮磷比是非常重要的工藝控制參數(shù)，它直接影響料漿黏度與造粒工況、產(chǎn)品組成和系統(tǒng)氨損失率［2］。由于工業(yè)濕法磷酸中含有鐵、鎂、鋁、鈣、氟和硫酸根等雜質(zhì)，在磷酸二銨生產(chǎn)過程中還會根據(jù)配方要求加入一定量的濃硫酸，使酸堿滴定法測得的磷銨料漿中和度與實(shí)際中和度產(chǎn)生一定的偏差。

由于磷銨氮磷比表現(xiàn)的只是一種數(shù)據(jù)關(guān)系，不能由現(xiàn)場儀表直接測量，只能通過一定的公式計算得出。為了減輕工藝操作人員工作量，筆者介紹利用集散控制系統(tǒng)（DCS）邏輯組態(tài)工作中算法分析方法直接計算并實(shí)時顯示氮磷比。

1 氮磷比計算條件

1.1 裝置流程介紹

某60萬t/a磷酸二銨裝置采用管式反應(yīng)器-氨化粒化流程生產(chǎn)傳統(tǒng)法磷酸二銨，工藝人員需要參考的氮磷比為管式反應(yīng)器（簡稱GPR）氮磷比和成品氮磷比。管式反應(yīng)器氮磷比指進(jìn)入管式反應(yīng)器的液氨中被磷酸結(jié)合部分與磷酸的物質(zhì)的量之比；成品氮磷比指最終成品中被磷酸結(jié)合的液氨與磷酸的物質(zhì)的量之比。進(jìn)入裝置的濃磷酸分成兩路，一路直接進(jìn)入GPR 與液氨發(fā)生強(qiáng)烈的氨酸中和反應(yīng)，一路進(jìn)入造粒和干燥尾氣洗滌系統(tǒng)調(diào)節(jié)洗滌液pH，洗滌回收系統(tǒng)逸出氨；進(jìn)入裝置的液氨分成兩路，一路進(jìn)入GPR 與濃磷酸反應(yīng)，一路進(jìn)入造粒機(jī)氨噴軸與料床顆粒發(fā)生二次氨化反應(yīng)；進(jìn)入裝置的濃硫酸分成兩路，一路進(jìn)入GPR 與液氨發(fā)生反應(yīng)，一路進(jìn)入冷卻和除塵尾氣洗滌系統(tǒng)調(diào)節(jié)洗滌液pH，洗滌回收系統(tǒng)逸出氨。

1.2 計算公式

裝置控制系統(tǒng)采用的是橫河CENTUM CS3000 DCS系統(tǒng)。在DCS上顯示的相關(guān)工藝介質(zhì)流量通過DCS 常數(shù)設(shè)定塊（DSET）和通用運(yùn)算塊（CALCU）控制運(yùn)算得到氮磷比，為裝置操作和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提供極大便利。

如果不計系統(tǒng)物料損失，GPR氮磷比主要由進(jìn)入GPR的液氨、濃磷酸和濃硫酸決定，而成品氮磷比由進(jìn)入裝置的所有液氨、濃磷酸和濃硫酸決定。

定義磷酸密度為ρP、硫酸密度為ρS、液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w（NH3）、磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w（P2O5）、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w（H2SO4）、磷酸中SO3（殘余SO42-折SO3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w（SO3），則：

GPR 氮磷比=（進(jìn)入GPR 的液氨質(zhì)量流量×w（NH3）÷NH3的摩爾質(zhì)量-進(jìn)入GPR的濃硫酸質(zhì)量流量×ρS×w（H2SO4）÷1/2 H2SO4的摩爾質(zhì)量-進(jìn)入GPR的濃磷酸質(zhì)量流量×ρP×w（SO3）÷1/2 SO3的摩爾質(zhì)量）÷（進(jìn)入GPR的濃磷酸質(zhì)量流量×ρP×w（P2O5）÷1/2 P2O5的摩爾質(zhì)量）。

成品氮磷比=［（進(jìn)入GPR的液氨質(zhì)量流量+進(jìn)入造粒機(jī)氨噴軸的液氨質(zhì)量流量）×w（NH3）÷NH3的摩爾質(zhì)量-進(jìn)入GPR的濃硫酸質(zhì)量流量×ρS×w（H2SO4）÷1/2 H2SO4的摩爾質(zhì)量-進(jìn)入裝置的濃磷酸質(zhì)量流量×ρP×w（SO3）÷1/2 SO3的摩爾質(zhì)量］÷（進(jìn)入裝置的濃磷酸質(zhì)量流量×ρP×w（P2O5）÷1/2 P2O5的摩爾質(zhì)量）。

式中NH3的摩爾質(zhì)量為17 g/mol、H2SO4的摩爾質(zhì)量為98 g/mol、SO3的摩爾質(zhì)量為80 g/mol、P2O5摩爾質(zhì)量為142 g/mol。

2 氮磷比計算在DCS上的實(shí)現(xiàn)

2.1 常數(shù)設(shè)定（DEST）

DEST 塊是輸出由操作監(jiān)視功能輸入的任意作業(yè)單位數(shù)據(jù)的功能塊［3］，該功能塊如圖1所示。

圖1 常數(shù)設(shè)定（DEST）功能塊

DEST 塊輸入輸出端子的連接方式和連接目標(biāo)如表1所示。

表1 DEST塊輸入輸出端子的連接方式和連接目標(biāo)

2.2 通用運(yùn)算（CALCU）

CALCU 塊是運(yùn)行預(yù)先定義好的任意運(yùn)算算法的功能塊，運(yùn)算方法通過通用運(yùn)算式記述語言定義［4］。該功能塊如圖2所示。

圖2 通用運(yùn)算（CALCU）功能塊

CALCU 塊輸入輸出端子的連接方式和連接目標(biāo)如表2所示。

表2 CALCU塊輸入輸出端子的連接方式和連接目標(biāo)

2.3 在DCS上實(shí)現(xiàn)常數(shù)塊設(shè)定

在DCS上依次實(shí)現(xiàn)磷酸密度、硫酸密度、液氨含量、磷酸（折P2O5）含量、硫酸含量、磷酸中SO3含量的常數(shù)塊設(shè)定，其中磷酸密度常數(shù)塊設(shè)定見圖3。

圖3 磷酸密度常數(shù)塊設(shè)定

在CS3000組態(tài)設(shè)定完成后，在Control Drawing Builder界面顯示見圖4。

圖4 常數(shù)塊設(shè)定顯示界面

2.4 在DCS上實(shí)現(xiàn)通用運(yùn)算塊設(shè)定

根據(jù)需要，設(shè)定A1、A2、A3、A4、B1、B2、B4、NP1、NP2 共9 個通用運(yùn)算塊，其邏輯含義見表3。

表3 通用運(yùn)算塊的邏輯含義

在功能塊詳細(xì)信息生成器Function Block Detail Builder中［5］以A2為例輸入程序如下：

“1、PROGRAM

2、ALIAS FIC31012 FIC-31012.PV

3、CPV=FIC31012*S.SV*C.SV/49

4、END”

在DCS 組 態(tài) 上 依 次 完 成A1、A2、A3、A4、B1、B2、B4、NP1、NP2共9個通用運(yùn)算塊的設(shè)定。

2.5 氮磷比計算的實(shí)現(xiàn)

通過操作監(jiān)視功能的鍵盤操作，由操作員對常量進(jìn)行設(shè)定并確認(rèn)操作，例如磷酸密度1.610 t/m3、硫酸密度1.830 t/m3、w（NH3）0.992、磷酸w（P2O5）0.465、 硫 酸w（H2SO4） 0.998、 磷 酸 中w（SO3）0.035，則在監(jiān)視畫面流程圖界面顯示實(shí)時的成品氮磷比（成品N/P）和管式反應(yīng)器氮磷比（GPR N/P），見圖5。

圖5 流程圖畫面顯示氮磷比

3 小結(jié)

利用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磷酸二銨裝置管式反應(yīng)器氮磷比和成品氮磷比的計算并實(shí)時顯示，方便工藝中控人員實(shí)時監(jiān)控，指導(dǎo)生產(chǎn)操作和工藝參數(shù)的控制，為裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)化運(yùn)行成本、運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提供了保障［6］。該方法是DCS系統(tǒng)強(qiáng)大功能的應(yīng)用之一，需要由工藝和自控專業(yè)共同挖掘開發(fā)，對開發(fā)DCS系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)性作用。