磺化工藝過程控制方案

周學(xué)蕾 崔 洋 郜 勝

中國中輕國際工程有限公司，北京，100026

目前國內(nèi)磺化裝置通常采用的是膜式磺化反應(yīng)器，其原理是利用精密的原料分布器，使有機物料沿高光潔度的反應(yīng)管內(nèi)壁成膜狀流下，與三氧化硫氣體接觸并發(fā)生磺化反應(yīng)。該反應(yīng)器能準(zhǔn)確控制參與反應(yīng)物料的摩爾比，達到精確反應(yīng)的目的。

膜式磺化反應(yīng)器技術(shù)成熟，在我國合成洗滌劑行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。但同樣裝置所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量卻參差不齊，這種差距不僅是在工藝方面，過程控制方案和精度也是重要方面。同樣的工藝在反應(yīng)過程中對于反應(yīng)條件的反饋和處理的不同會有很大的差別。

1 磺化反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程

磺化反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 磺化工藝流程

變壓吸附階段：將空氣經(jīng)過濾，壓縮至0.05～0.07 mPa，升溫至80～110 ℃。壓縮過程中產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)過冷卻器降溫至2～5 ℃，并將其中水分冷凝析出。

燃硫階段：液硫與燃燒空氣逆向進入燃燒爐，然后落到耐火球上進行燃燒，燃硫率≥99.9%。從燃燒器中出來的SO2氣體溫度在600～700 ℃，體積濃度約為7%(v/v)。

SO2/SO3轉(zhuǎn)化階段：在到達SO2/SO3轉(zhuǎn)換器的催化劑層前，SO2氣體通過內(nèi)置冷卻器被冷卻到約420 ℃。經(jīng)過轉(zhuǎn)化塔內(nèi)過濾層、催化劑層及各層之間冷卻器的溫度調(diào)節(jié)，可將反應(yīng)溫度控制在最佳反應(yīng)范圍，使轉(zhuǎn)化塔出口SO2氣轉(zhuǎn)化率約≥97%，操作溫度420～450 ℃。最后通過三臺串聯(lián)的熱交換器將SO3/空氣從約420 ℃冷卻到約55 ℃。

磺化階段：SO3氣體從磺化反應(yīng)器頂部注入反應(yīng)管中。進入反應(yīng)器的有機物（烷基苯、AEO等）由流量計及調(diào)節(jié)閥組成的調(diào)節(jié)回路控制，原料經(jīng)由特制的分配頭與氣體順流的形式進入磺化反應(yīng)器。通過反應(yīng)器底部排出氣液混合物經(jīng)分離器分離，生成的磺酸根據(jù)原料的不同選擇不同的生產(chǎn)路徑，其中含有未轉(zhuǎn)化SO2氣體經(jīng)過尾氣處理排空。

中和階段：中和單元用來生產(chǎn)高濃度活性物料漿。為避免產(chǎn)品過熱，中和物料通過閃蒸器，在負(fù)壓的操作工況下，脫出物料中水分，產(chǎn)品熱量也隨之帶走。產(chǎn)品在壓力調(diào)節(jié)回路的作用下被送去貯存，經(jīng)在線pH值調(diào)節(jié)回路使產(chǎn)品達到合格要求。

調(diào)配脫氣階段：當(dāng)生產(chǎn)高濃度AES（或類似產(chǎn)品）時，濃縮的料漿中可能含有少量空氣。用帶負(fù)壓的專用設(shè)備將其中的空氣除去，從而產(chǎn)生出半透明狀料漿。脫氣過程可降低黏度，使操作和泵輸送更加容易且提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

尾氣處理階段：有機物和部分殘留的SO3經(jīng)靜電除霧器分離，回收的“靜電磺酸”可并入產(chǎn)品或其他用途。含有未轉(zhuǎn)化SO2氣體的尾氣在一帶填料的洗滌塔內(nèi)進行處理，塔內(nèi)不斷添加循環(huán)水和堿液，經(jīng)過凈化的尾氣氣流被排放到大氣中。堿液的注入量根據(jù)亞硫酸溶液的pH值進行自動調(diào)節(jié)。

反應(yīng)裝置如圖2所示。

圖2 磺化反應(yīng)裝置圖

2 磺化反應(yīng)系統(tǒng)控制方案

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們見證了磺化反應(yīng)系統(tǒng)從手動操作到全自動化的轉(zhuǎn)變，不僅提高了生產(chǎn)效率，還極大地改善了產(chǎn)品質(zhì)量和安全性[1]。

首先，膜式磺化反應(yīng)器的應(yīng)用使得磺化反應(yīng)能夠更加精確地控制參與反應(yīng)的物料摩爾比，實現(xiàn)了精確反應(yīng)的目標(biāo)。盡管這一技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并廣泛應(yīng)用于洗滌劑等領(lǐng)域，但產(chǎn)品質(zhì)量的差異依然存在，這需要人們在工藝、過程控制和精確度方面繼續(xù)努力改進。

磺化反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程包括多個關(guān)鍵階段，如變壓吸附、燃硫、SO2/SO3轉(zhuǎn)化、磺化、中和、調(diào)配脫氣和尾氣處理。每個階段都需要精密的控制，以確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和質(zhì)量。例如，采用串級控制系統(tǒng)來控制中和階段的pH值，這種方式能夠有效地消除pH值檢測儀滯后和不穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品的一致性。

安全性在磺化反應(yīng)系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，特別是考慮到其列入危險化工工藝目錄。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用可以大大降低事故的風(fēng)險。通過HAZOP分析，我們可以識別潛在的危險和安全隱患，并采取相應(yīng)的措施來預(yù)防事故的發(fā)生。設(shè)置了SIS安全儀表系統(tǒng)，包括緊急切斷閥、應(yīng)急壓縮空氣罐出口閥門等，這些措施在應(yīng)對緊急情況時發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

2.1 磺化反應(yīng)比值控制系統(tǒng)

在磺化反應(yīng)過程中，有機物和SO3進料速率的配比是控制的關(guān)鍵因素之一。為了將兩者的進料速率控制在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，利用計算機控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，并對反饋回來的測量值進行計算從而通過調(diào)節(jié)閥門開度的方式保證進料速率的穩(wěn)定[2]。

傳統(tǒng)控制方案采用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)進行控制，如圖3所示，此種控制方案適用于Q（即原料流量輸入量）比較穩(wěn)定的場合。當(dāng)Q本身波動比較頻繁，變化幅度較大時，雖然經(jīng)過調(diào)節(jié)R1保持一定的比例關(guān)系，但是由于調(diào)節(jié)具有滯后性，實際上R1無論是累積量還是進料速率都很難嚴(yán)格保持一定的比例關(guān)系，同時負(fù)荷經(jīng)常波動也會對下一工序帶來不利的影響。

圖3 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及方框圖

為了消除上述不穩(wěn)定帶來的影響，在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將原料1作為主動變量，原料2作為從變量并增加閉環(huán)控制回路，這樣就構(gòu)成了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如圖4所示。該控制系統(tǒng)的特點是保持比值控制的前提，主變量和從變量兩個流量均構(gòu)成閉合回路，可以有效克服自身流量的干擾，使主、從變量都能穩(wěn)定的進行調(diào)節(jié)[3]。

圖4 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)及方框圖

2.2 磺化反應(yīng)串級控制系統(tǒng)

磺化反應(yīng)中和階段由于pH值具有較大的滯后性和不穩(wěn)定性，故采用串級調(diào)節(jié)方式?？刂葡到y(tǒng)自動檢測料漿中的pH值，并通過與進料流量計串聯(lián)的方式控制進料流量，如圖5所示。

圖5 串級控制系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)有兩個控制器，回流管pH值在線檢測儀為主控制器，進料流量計為副控制器，執(zhí)行機構(gòu)為進料管道調(diào)節(jié)閥門[4]。本系統(tǒng)有4個檢測單元，一個測量主被控變量pH值，三個測量副被控變量進料流量。主控制器根據(jù)pH檢測值與給定值的偏差值，作為副控制器流量計的給定值，副控制器流量計根據(jù)流量測量值與給定值的偏差值來調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，如圖6所示。

圖6 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

中和料漿循環(huán)泵出口pH值檢測儀反饋信號為PV1，通過與配方給定值SV1比較將輸出值MV11/MV12/MV13作為液堿/工藝水/漂白劑進料流量控制器的給定值SV2/SV3/SV4，SV2/SV3/SV4隨著MV11/MV12/MV13值的不斷變化從而進行自適應(yīng)校正，副控制器通過對比PV2/PV3/PV4與SV2/SV3/SV4輸出MV2/MV3/MV4調(diào)節(jié)相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥FV1/FV2/FV3。副控制器把一些主要干擾在沒有進入主調(diào)節(jié)對象之前加以過濾，達到消除干擾的目的；同時pH值檢測儀具有滯后性，這種動態(tài)的調(diào)節(jié)可以快速、準(zhǔn)確地對主調(diào)節(jié)對象進行調(diào)控，達到消除滯后的目的。

2.3 磺化反應(yīng)安全儀表系統(tǒng)

依據(jù)《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2009〕116號），氣相SO3與脂肪醇聚氧乙烯醚的反應(yīng)被列為磺化的典型工藝?；腔磻?yīng)已列入首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄，故需對磺化裝置進行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計，以滿足安監(jiān)總管三〔2009〕116號文對氧化、磺化工藝安全控制的基本要求。

安全儀表系統(tǒng)設(shè)計采用HAZOP分析的方法對裝置各工段進行分析，查找裝置的設(shè)計缺陷、安全隱患及可操作性問題，通過系統(tǒng)的風(fēng)險評估，達到預(yù)測、預(yù)防事故發(fā)生的目的。

本文以磺化工藝流程圖及操作規(guī)程為基礎(chǔ)，選取工藝流程中典型的節(jié)點，確定偏差，分析偏差產(chǎn)生的原因及后果，分析現(xiàn)有的保護措施，從而對現(xiàn)有保護措施薄弱或缺漏之處提出相關(guān)建議。

磺化反應(yīng)設(shè)置SIS安全儀表系統(tǒng)，設(shè)置磺化反應(yīng)器進SO3管道緊急切斷閥（KV1）、應(yīng)急壓縮空氣罐出口閥門(KV2)、空氣干燥塔出口管道閥門（KV3）、磺化反應(yīng)器出口管道溫度變送器（TT1）、燃硫爐出口管道溫度變送器（TT2）。當(dāng)溫度TT2到達上上限連鎖值，停液硫供料泵、停工藝空氣鼓風(fēng)機、關(guān)閉KV3；當(dāng)溫度TT1到達上上限連鎖值，停液硫供料泵、關(guān)閉KV1、打開KV2。SIS邏輯連鎖如圖7所示。

圖7 磺化反應(yīng)安全儀表邏輯連鎖圖

3 結(jié)語

磺化反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程和控制方案的不斷改進和創(chuàng)新，使得這一領(lǐng)域取得了顯著的進展。高度自動化、精確的控制和強化的安全措施都有助于提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和工藝安全性。我們期待著未來繼續(xù)推動磺化反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，以滿足不斷增長的市場需求，并為化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。