光氣合成過(guò)程中雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

郭建文

(銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司儀表計(jì)量檢測(cè)中心,甘肅 白銀 730900)

隨著聚氨酯工業(yè)的迅速發(fā)展，作為聚氨酯工業(yè)重要原料的甲苯二異氰酸酯(TDI)和二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)的產(chǎn)量逐年增加。由于聚氨酯產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗壓及靈活輕便等特性，可替代木材和鋼材，因此被廣泛應(yīng)用于電子電器、建筑、密封劑、絕熱及制冷等領(lǐng)域。

目前TDI及MDI等大噸位異氰酸酯產(chǎn)品的生產(chǎn)廣泛采用的是直接光氣化生產(chǎn)工藝，其中光氣(COCl2)是TDI和MDI光氣化生產(chǎn)過(guò)程中的一種重要原料。但光氣合成過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)且光氣具有劇毒性，因此在TDI和MDI的光氣化生產(chǎn)過(guò)程中為保證反應(yīng)安全進(jìn)行，溫度控制、對(duì)反應(yīng)工藝參數(shù)的控制和反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物加入量的準(zhǔn)確控制顯得非常重要[1]，對(duì)過(guò)程測(cè)量?jī)x表的選型和控制方案的確定應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，為此筆者對(duì)光氣合成過(guò)程中氯氣和一氧化碳加料量的典型雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用分析，以期對(duì)行業(yè)中類(lèi)似生產(chǎn)過(guò)程工藝提供借鑒。

光氣又稱(chēng)碳酰氯，微溶于水，較易溶于苯及甲苯等。光氣常溫下為無(wú)色氣體，比空氣重，有腐草味，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，遇水迅速水解生成氯化氫和二氧化碳。光氣是劇烈窒息性毒氣，高濃度吸入可致肺水腫，毒性比氯氣大10倍，但在體內(nèi)無(wú)蓄積作用。

工業(yè)上通常采用一氧化碳與氯氣的混合物通過(guò)活性炭反應(yīng)制得光氣，為了獲得高質(zhì)量的光氣同時(shí)減少設(shè)備腐蝕，經(jīng)過(guò)徹底干燥的一氧化碳在與氯氣混合時(shí)，應(yīng)保持適當(dāng)過(guò)量。如果沒(méi)有催化劑且雜質(zhì)含量低于規(guī)定濃度時(shí)，該混合物在常溫下是穩(wěn)定的。

滿(mǎn)足工藝要求的氯氣和一氧化碳通過(guò)雙閉環(huán)比值控制分別進(jìn)入混合器，氣體混合物自上而下進(jìn)入光氣反應(yīng)器，在活性炭催化劑和一定壓力下作用生成光氣，生成的光氣進(jìn)入下一流程。

2 比值控制系統(tǒng)

在化工、煉油和其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，一旦比例失調(diào)，輕則造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，重則會(huì)造成生產(chǎn)事故或發(fā)生危險(xiǎn)[2]。比值控制的目的就是為了實(shí)現(xiàn)幾種物料按一定比例關(guān)系混合，使生產(chǎn)安全、正常運(yùn)行[3]。

在比值控制系統(tǒng)中，一種物料的流量需要跟隨另一種物料流量而變化，前者稱(chēng)為從動(dòng)量(副物料)，后者稱(chēng)為主動(dòng)量(主物料)，也就是說(shuō)副物料流量要跟隨主物料流量按一定比例關(guān)系進(jìn)行變化[2]。

比值控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工藝控制要求和使用場(chǎng)合分為開(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。在此筆者主要以雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行闡述。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)(圖1)在主物料對(duì)象中引入一個(gè)閉環(huán)回路，解決了單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主物料流量不受控制的問(wèn)題。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)主-副物料流量比值的恒定，又能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入系統(tǒng)的總負(fù)荷平穩(wěn)，同時(shí)方便提降負(fù)荷。如果改變系統(tǒng)的反應(yīng)負(fù)荷，只要緩慢改變主物料流量的給定值就可以提降主物料流量，同時(shí)副物料流量也自動(dòng)跟蹤提降，并保持兩者比值不變，系統(tǒng)控制精度較高，安全可靠。但該系統(tǒng)所用儀表數(shù)量較多，投資較高[4]。

圖1 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)框圖

在光氣合成過(guò)程中，氯氣和一氧化碳的加料控制就是一個(gè)經(jīng)典的雙閉環(huán)比值控制。

3 應(yīng)用分析

在光氣合成物料加入過(guò)程中，由于氯氣和一氧化碳都是劇毒性氣體，為保證系統(tǒng)安全和生成物質(zhì)量，對(duì)氯氣和一氧化碳的加入量有嚴(yán)格要求，氯氣和一氧化碳必須按照一定量準(zhǔn)確地加入混合器，同時(shí)在加入過(guò)程中氯氣和一氧化碳必須保持所設(shè)定的比例關(guān)系，并且對(duì)氯氣和一氧化碳的加入設(shè)置安全聯(lián)鎖方案，當(dāng)工藝參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，可緊急聯(lián)鎖停止加料[1]。

光氣合成過(guò)程中氯氣和一氧化碳加料控制工藝流程如圖2所示。根據(jù)工藝流程圖，滿(mǎn)足工藝要求的氯氣和一氧化碳分別經(jīng)過(guò)各自的加料管線(xiàn)進(jìn)入混合器并按比例進(jìn)行混合，混合后氣體進(jìn)入反應(yīng)器，在活性炭催化劑作用下根據(jù)一定工藝條件反應(yīng)生成光氣，反應(yīng)生成物送入下一流程。

圖2 氯氣和一氧化碳加料控制工藝流程

在氯氣加料過(guò)程中，TI-101用來(lái)檢測(cè)氯氣溫度，要求實(shí)現(xiàn)低溫報(bào)警；PI-101用來(lái)檢測(cè)氯氣壓力，要求實(shí)現(xiàn)氯氣壓力高低限報(bào)警；FC-101為氯氣加料流量計(jì)，用來(lái)檢測(cè)氯氣流量，并與FV-101調(diào)節(jié)閥組成氯氣加料流量調(diào)節(jié)回路，實(shí)現(xiàn)氯氣低流量報(bào)警；PD-102用來(lái)測(cè)量氯氣加料過(guò)程中的壓差，要求實(shí)現(xiàn)壓差的高低限報(bào)警；HSV-101為氯氣加料切斷控制閥。

在一氧化碳加料過(guò)程中，TI-102用來(lái)檢測(cè)一氧化碳溫度，要求實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警；PI-103用來(lái)檢測(cè)一氧化碳?jí)毫Γ髮?shí)現(xiàn)高低限壓力報(bào)警；FC-103為一氧化碳加料流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量一氧化碳的流量，并通過(guò)比值控制模塊FC-102與FV-102調(diào)節(jié)閥組成一氧化碳加料流量控制回路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低流量報(bào)警；PD-104用來(lái)檢測(cè)一氧化碳加入過(guò)程中的壓差，要求實(shí)現(xiàn)壓差高低限報(bào)警；HSV-102為一氧化碳加料切斷控制閥。

以上工藝參數(shù)的檢測(cè)控制方案均通過(guò)DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為保證加料過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的安全，設(shè)置了由獨(dú)立ESD安全聯(lián)鎖緊急停車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的安全聯(lián)鎖方案[5]。當(dāng)氯氣壓力達(dá)到高限聯(lián)鎖值時(shí)、當(dāng)氯氣(一氧化碳)流量達(dá)到低限聯(lián)鎖值時(shí)、當(dāng)氯氣(一氧化碳)加料過(guò)程壓差達(dá)到低限聯(lián)鎖值時(shí)或比值控制模塊運(yùn)算結(jié)果達(dá)到低限聯(lián)鎖值時(shí)，將聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣控制調(diào)節(jié)閥FV-101、氯氣切斷控制開(kāi)關(guān)閥HSV-101、一氧化碳調(diào)節(jié)閥FV-102和一氧化碳切斷控制開(kāi)關(guān)閥HSV-102，防止在工藝異常時(shí)氯氣和一氧化碳進(jìn)入混合器。即當(dāng)兩種物料加入的溫度、壓力、流量和壓差任意條件不滿(mǎn)足工藝控制要求時(shí)，都會(huì)禁止向混合器加料。

氯氣和一氧化碳流量測(cè)量?jī)x表選型是控制方案中的關(guān)鍵點(diǎn)，為保證測(cè)量精度和可靠性，一般選用質(zhì)量流量計(jì)。

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中氯氣是主物料，一氧化碳是副物料。氯氣流量計(jì)測(cè)量值通過(guò)PID運(yùn)算來(lái)控制氯氣流量調(diào)節(jié)閥FV-101的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)氯氣的加料控制；同時(shí)氯氣流量計(jì)測(cè)量值送給FC-102比值運(yùn)算模塊，與事先設(shè)置好的比值系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果作為一氧化碳流量PID控制的給定值，與一氧化碳流量計(jì)送來(lái)的測(cè)量值進(jìn)行比較，通過(guò)PID運(yùn)算去控制一氧化碳流量調(diào)節(jié)閥FV-102的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)一氧化碳加料的控制。比值運(yùn)算模塊在DCS系統(tǒng)中有專(zhuān)用的控制模塊可供選擇[6,7]。一氧化碳按照一定的比值跟隨氯氣流量變化，同時(shí)氯氣作為主物料有完整的控制調(diào)節(jié)回路，以保證氯氣加料的閉環(huán)可控。只要緩慢改變氯氣的加料量，一氧化碳的加料量隨之按比例跟隨改變，即可實(shí)現(xiàn)改變系統(tǒng)的反應(yīng)負(fù)荷。

上述方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所用儀表數(shù)量較多，較復(fù)雜。除氯氣和一氧化碳質(zhì)量流量計(jì)外，為保證系統(tǒng)安全可靠，防止毒氣泄漏，系統(tǒng)還配置了毛細(xì)管式單法蘭遠(yuǎn)傳壓力變送器、毛細(xì)管式雙法蘭遠(yuǎn)傳壓力變送器[8]、金屬波紋管密封式調(diào)節(jié)閥和三重密封型氣動(dòng)旋塞閥[9]。

系統(tǒng)開(kāi)車(chē)投運(yùn)前由于氯氣和一氧化碳都受各自低壓差的聯(lián)鎖導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)，因此在系統(tǒng)開(kāi)車(chē)投運(yùn)前必須通過(guò)模擬加入假信號(hào)，使其先滿(mǎn)足加料條件以保證加料閥的正常打開(kāi)，保證系統(tǒng)正常啟動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)光氣合成過(guò)程中氯氣和一氧化碳加料雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。由于反應(yīng)過(guò)程所采用的氯氣和一氧化碳以及生成物光氣具有劇毒性，因此設(shè)置了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)以保證反應(yīng)過(guò)程加料精確、安全可靠。該方案在實(shí)際聚氨酯原料TDI生產(chǎn)過(guò)程中已投入運(yùn)行，能夠滿(mǎn)足工藝控制要求，同時(shí)保證了生產(chǎn)的安全，是經(jīng)典的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，在同類(lèi)生產(chǎn)中具有一定的借鑒意義。

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