自動(dòng)化控制技術(shù)在對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)過程中的應(yīng)用分析

＊馬立強(qiáng) 張環(huán)平

（1.濟(jì)源市恒順新材料有限公司 河南 459000 2.河南省豫隆科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 河南 450001）

對(duì)氟苯甲酰氯是化工行業(yè)的一種重要原料，作為合成醫(yī)藥、農(nóng)藥等精細(xì)化工品的一種重要的中間體，對(duì)氟苯甲酰氯可用于合成新型高效殺菌劑氟嗎啉、強(qiáng)效腦血管擴(kuò)張藥“氟苯桂嗪”等[1]。對(duì)氟苯甲酰氯的合成能夠以對(duì)氟苯甲酸、對(duì)氟甲苯為原料經(jīng)過不同的反應(yīng)路線合成制備。

經(jīng)對(duì)氟苯甲酸與氯化亞砜反應(yīng)制得對(duì)氟苯甲酰氯的方法雖然流程簡(jiǎn)單，含量較高，但是生產(chǎn)成本較高，適宜小批量定制合成。以對(duì)氟甲苯為原料，經(jīng)過氯化、滴水水解反應(yīng)制得對(duì)氟苯甲酰氯的方法成本較低，適合大批量合成[2]，但是此方法生產(chǎn)過程控制較為復(fù)雜，使用此方法需要能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

目前我國(guó)大部分化工生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化程度不高，主要以人工操作為主。人工操作的缺陷主要有：一是操作時(shí)間不固定，操作方式不正確，比如取樣分析不及時(shí)、催化劑添加量不精確等；二是職業(yè)衛(wèi)生方面，防護(hù)不到位可能引起人員受傷，比如取樣分析時(shí)，反應(yīng)釜有氣味氣體溢出，或反應(yīng)釜溫度偏高，造成人員受傷；三是安全操作方面，人員的不正確操作可能引起安全隱患。自動(dòng)化程度嚴(yán)重影響了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率及企業(yè)產(chǎn)能。針對(duì)以上問題，濟(jì)源市恒順新材料有限公司根據(jù)近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)，改進(jìn)對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)線裝置，使對(duì)氟苯甲酰氯產(chǎn)品生產(chǎn)線自動(dòng)化程度不斷提高，不僅降低員工的工作強(qiáng)度，還大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.自動(dòng)化控制技術(shù)引入

濟(jì)源市恒順新材料有限公司對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)工藝以對(duì)氟甲苯為原料，經(jīng)過氯化、滴水水解、精餾提純工藝路線制備對(duì)氟苯甲酰氯。由于此生產(chǎn)過程控制相對(duì)復(fù)雜，測(cè)試環(huán)節(jié)較多，人工操作已無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。為確保此生產(chǎn)過程準(zhǔn)確無(wú)誤，需將原本分散監(jiān)控的設(shè)備、設(shè)施等進(jìn)行統(tǒng)一管理[3-4]，因此我公司通過調(diào)研，引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用于我公司對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造。通過對(duì)對(duì)氟苯甲酰氯水解反應(yīng)的自動(dòng)化控制研究，達(dá)到提高企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)成本的目的。

2.自動(dòng)化控制技術(shù)在對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)中的應(yīng)用

（1）對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)工藝流程。以對(duì)氟甲苯為原料，對(duì)氟甲苯由氣動(dòng)隔膜泵輸送至氯化釜中，在光照條件下通入氯氣引發(fā)反應(yīng)，經(jīng)過氯化反應(yīng)得到對(duì)氟三氯芐。對(duì)氟三氯芐自流至水解釜中進(jìn)行水解反應(yīng)，得到對(duì)氟苯甲酰氯粗品。用真空把水解釜中水解完全的物料抽到精餾塔中，經(jīng)精餾提純得到對(duì)氟苯甲酰氯成品，成品包裝入庫(kù)。

化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

氯化反應(yīng)過程：

水解反應(yīng)過程：

（2）自動(dòng)化控制技術(shù)在自動(dòng)取樣中的應(yīng)用。在對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)過程中，為及時(shí)準(zhǔn)確地掌握氯化終點(diǎn)是否合適，需要對(duì)反應(yīng)釜中的氯化液進(jìn)行取樣分析。但是人工取樣存在多方面的弊端，經(jīng)自動(dòng)化改造后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣，即在氯化反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力大于大氣壓，反應(yīng)釜壓力將尾氣閥門打開，物料在反應(yīng)釜壓力下流入自動(dòng)取樣處，此時(shí)尾氣閥門關(guān)閉，通入氮?dú)?，自?dòng)取樣處的物料在氮?dú)鈮毫ο掠只亓鞯椒磻?yīng)釜，通過反復(fù)三次，自動(dòng)取樣處物料被反應(yīng)釜氯化液置換。我公司在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制后，自動(dòng)取樣代替人工取樣，產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提升。自動(dòng)取樣控制示意圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)取樣控制示意圖

（3）自動(dòng)化控制技術(shù)在反應(yīng)釜溫度控制中的應(yīng)用。在有機(jī)氟產(chǎn)品生產(chǎn)中，反應(yīng)釜溫度決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，因此需要對(duì)反應(yīng)釜溫度進(jìn)行精細(xì)化控制[5-6]，通過自動(dòng)化控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜溫度的精細(xì)化控制。

我公司對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)線將蒸汽閥、循環(huán)水閥全部改成自控閥門，并將蒸汽閥門、循環(huán)水閥門與溫度聯(lián)鎖，利用電偶信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜溫度的自動(dòng)化控制。在氯化反應(yīng)初始階段，反應(yīng)釜溫度較低，氯化反應(yīng)不能進(jìn)行，此時(shí)控制器打開蒸汽閥門，對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行加熱。隨著反應(yīng)釜溫度的不斷上升，氯化反應(yīng)逐步加劇，化學(xué)反應(yīng)熱放出。當(dāng)反應(yīng)釜溫度高于設(shè)定值時(shí)，控制器將逐步關(guān)閉蒸汽閥門，同時(shí)緩慢打開循環(huán)水進(jìn)水閥門，將化學(xué)反應(yīng)熱帶走來(lái)降低反應(yīng)釜溫度。保證氯化反應(yīng)溫度在規(guī)定值±1℃范圍內(nèi)，符合理想氯化工藝曲線，實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)控制要求。溫度控制示意圖如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜溫度控制示意圖

（4）自動(dòng)化控制技術(shù)在水解反應(yīng)中的應(yīng)用。自動(dòng)化控制系統(tǒng)引入之前采用高位滴水，使用流量計(jì)控制滴水速度，滴水速度和總滴水量控制并不精確。引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)之后，采用齒輪泵和流量計(jì)聯(lián)鎖控制，并在尾氣管道上加裝尾氣流量表檢測(cè)水解反應(yīng)情況，以控制水解反應(yīng)正常進(jìn)行。尾氣流速和滴水速度聯(lián)鎖控制示意圖如圖3所示。

圖3 尾氣流速和滴水速度聯(lián)鎖控制示意圖

（5）自動(dòng)化控制技術(shù)在精餾過程中的作用。精餾過程中冷凝液的出料量大，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證；冷凝液的出料量小，產(chǎn)品收率降低[7-8]，因此需對(duì)回流比精細(xì)控制。

在精餾過程中，通過自動(dòng)化改造使流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，形成一個(gè)穩(wěn)定的進(jìn)出料系統(tǒng)，確保物料進(jìn)出量平衡，從而使物料進(jìn)入到精餾塔后得到高標(biāo)準(zhǔn)的分離產(chǎn)物，提高整體分離效率[9-10]。除此之外，通過自動(dòng)化控制技術(shù)還可以降低塔底排出物的濃度，在提高產(chǎn)品分離質(zhì)量的同時(shí)，避免不必要的資源浪費(fèi)[11]。

3.自動(dòng)化控制系統(tǒng)在對(duì)氟苯甲酰氯水解反應(yīng)中的應(yīng)用效果

（1）對(duì)氟苯甲酰氯水解過程的控制。利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)氟苯甲酰氯的水解反應(yīng)時(shí)，通過量熱儀對(duì)水解反應(yīng)過程進(jìn)行分析，水解反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度-比放熱速率-加料率曲線見圖4。由圖4可知，在反應(yīng)溫度120.0℃下添加物料時(shí)即有明顯放熱，加料2.0h時(shí)比放熱速率達(dá)到最大值33.4W/kg（反應(yīng)釜內(nèi)每kg總物料的放熱速率），此時(shí)反應(yīng)溫度為120.6℃。保溫反應(yīng)1.5h后比放熱速率基本為0，說(shuō)明反應(yīng)基本結(jié)束。

圖4 對(duì)氟苯甲酰氯水解反應(yīng)的反應(yīng)溫度-比放熱速率-加料率曲線

（2）對(duì)氟苯甲酰氯滴水控制的研究。對(duì)引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)前后高位滴水和聯(lián)鎖控制兩種不同方式控制的水解反應(yīng)的成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析，結(jié)果見圖5。

圖5 不同控制方式的水解反應(yīng)成功率

水解反應(yīng)后若一次完成反應(yīng)達(dá)到指標(biāo)，我們統(tǒng)計(jì)為一次成功，補(bǔ)充一次物料達(dá)到指標(biāo)，我們統(tǒng)計(jì)為二次成功。高位滴水一次成功率為18.52%，二次成功率為37.04%，兩次合計(jì)成功率55.56%，聯(lián)鎖控制后一次成功率為43.75%，二次成功率為37.50%，兩次合計(jì)成功概率81.25%。由圖5可知，與引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)之前高位滴水控制相比，采用聯(lián)鎖控制后水解反應(yīng)一次成功率提高一倍以上，合計(jì)成功率提高達(dá)到25.69%。

（3）自動(dòng)化控制系統(tǒng)引進(jìn)前后各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比。通過對(duì)2018年（改造前）、2020年（改造后）各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化改造后的對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)效率比改造前提升50%，對(duì)氟苯甲酰的收率由88.7%提高至96.3%，生產(chǎn)成本降低25%，單位產(chǎn)值能耗降低30%，單批生產(chǎn)周期由35個(gè)小時(shí)減少到24個(gè)小時(shí)，產(chǎn)品合格率從90%～92%上升到95%以上。圖6反映了2018年、2020年產(chǎn)品合格率，從圖6可以看出，自動(dòng)化改造后對(duì)氟苯甲酰氯合格率比改造前上升4～5個(gè)百分點(diǎn)。

圖6 2018、2020年度對(duì)氟苯甲酰氯產(chǎn)品合格率

4.結(jié)論

通過對(duì)對(duì)氟三氯芐的水解反應(yīng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制自動(dòng)化研究，水解反應(yīng)的合格成功率由55.56%提高至81.25%。對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)線自動(dòng)化改造后，對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)效率比改造前提升50%，生產(chǎn)成本降低25%，單位產(chǎn)值能耗降低30%，單批生產(chǎn)周期由35個(gè)小時(shí)減少到24個(gè)小時(shí)，產(chǎn)品合格率從90%～92%提高至95%以上。運(yùn)行結(jié)果證明：自動(dòng)化控制系統(tǒng)可將對(duì)氟苯甲酰氯生產(chǎn)工序所有過程數(shù)據(jù)融為一體，能夠迅速準(zhǔn)確地對(duì)各過程變量進(jìn)行監(jiān)控，能快速對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警并完成相應(yīng)聯(lián)鎖操作[12]，不僅減輕員工的負(fù)擔(dān)，節(jié)約了產(chǎn)品成本，杜絕了運(yùn)行事故的發(fā)生，還提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)也驗(yàn)證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為以后的有機(jī)氟產(chǎn)品生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了實(shí)際應(yīng)用案例和技術(shù)支持。