制硫酸控制系統(tǒng)的研究與實(shí)際應(yīng)用

孫 穎

（天津市中環(huán)自動(dòng)化技術(shù)控制設(shè)備有限公司，天津 300384）

年產(chǎn)40萬噸加氫尾油異構(gòu)脫蠟裝置項(xiàng)目在制取高質(zhì)量潤滑油基礎(chǔ)油過程中，產(chǎn)生出含硫的酸性氣體[1]，排入大氣內(nèi)會(huì)影響環(huán)境，造成酸雨。為響應(yīng)國家環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排政策，某石化公司必須對(duì)酸性氣體進(jìn)行處理。由于酸性氣體主要為硫離子，經(jīng)過工藝處理后，可回收硫離子變?yōu)榱蛩崛芤篬2]，進(jìn)行出售，帶來部分經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目采用霍尼韋爾C300控制器，用Experion PKS系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，搭建邏輯控制程序[3]，對(duì)制硫酸單元工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

1 制硫酸單元工藝流程

環(huán)境空氣經(jīng)玻璃管熱交換器E-551預(yù)熱到183℃后，由風(fēng)機(jī)K-510吸入后進(jìn)一步由翅片管換熱器的E-511.1換熱到大于360℃。加熱后的空氣將被用作燃燒空氣，與從低分氣脫硫單元的酸性氣（含95.6w%H2S、4.1%H2O、其余0.3%CxHy）和從硫銨部分經(jīng)脫氨后的酸性氣（含94.1w%H2S、5.9%H2O）分別進(jìn)入燃燒器A-515酸性氣一起進(jìn)入燃燒室A-515。

空氣與酸性氣經(jīng)由圓柱形分配室混合，可燃?xì)怏w混合物進(jìn)入燃燒器A-515中燃燒后，到達(dá)圓柱形焚燒爐F-512前端，溫度達(dá)到900℃～1000℃。

焚燒爐F-512溫度通過調(diào)節(jié)閥門FV-51056來控制空氣流量，使溫度保持在960℃的最適溫度。當(dāng)溫度過高，開大閥門FV-51062，通過閥門FV-51056調(diào)節(jié)配風(fēng)量，使空氣（O2）與酸性氣量化學(xué)計(jì)量比為1.5～1.6。

為了保證燃燒器的安全操作，如果助燃空氣壓力降到最小值，關(guān)閉助燃空氣壓力開關(guān)閥。

如果SOP沒有酸性氣AG，關(guān)閉閥門XS-51025A/B，XS-51032A/B，XS-51035A/B。

在F-512內(nèi)含硫氣體發(fā)生氧化反應(yīng)、烴會(huì)被氧化成CO2和H2O：

正常操作不需要補(bǔ)充燃料氣。燃燒反應(yīng)的反應(yīng)熱通過換熱器E-513，E-514用240℃的熔鹽進(jìn)行換熱，燃燒后氣體組成為N2、CO2、SO2、O2和H2O（含5.1v%SO2、12.3v%的O2）。E-513為順流操作的光管換熱器，E-514是一種逆流操作的翅片式換熱器。

換熱后的燃燒氣溫度將為410℃以下，進(jìn)入第一反應(yīng)器R-520。反應(yīng)器R-520中裝有2段催化劑床（H-521，H-523）和3段翅片管換熱器（E-522，E-524和E-525）。H-521有3層（A，B，C），其中第1層（A）是陶瓷蜂窩塊，起到保護(hù)及均化的作用，下面兩層（B，C）是具有反應(yīng)活性的Pt-蜂窩催化劑層。經(jīng)過催化劑床層H-521大概76%的SO2被氧化，氣體經(jīng)翅片管換熱器E-522（夾層冷卻器）冷卻后，進(jìn)入H-523催化劑床層（含兩層Pt催化劑、一層備用層）繼續(xù)氧化，經(jīng)過H-523 SO2大概19%被氧化后，經(jīng)翅片管換熱器E-524冷卻。在E-522和E-524換熱的熱量通過E-511加熱所述預(yù)熱空氣到360℃。

在第一反應(yīng)器R-520發(fā)生如下反應(yīng)：

SO3到硫酸的水化反應(yīng)溫度低于300℃。

最后反應(yīng)氣體被翅片管換熱器E-525冷卻至275℃。從反應(yīng)器R-520底部經(jīng)由管SP52001進(jìn)入到冷凝器的D-530的底部，向上經(jīng)玻璃管換熱器E-531與回流的反應(yīng)氣體換熱后，經(jīng)換熱器E-532/E-533與K-532/K-533引入的空氣換熱，使氣體的溫度冷卻到約70℃。不凝氣體經(jīng)濕式靜電除霧器S-534除去夾帶霧滴后，進(jìn)入風(fēng)機(jī)K-535升壓后返回冷凝器D-530。同時(shí)，從冷凝器頂部返回的不凝過程氣經(jīng)E-531與自R-520至冷凝器的過程氣換熱，被加熱到溫度高于240℃后，進(jìn)入第二反應(yīng)器R-540。

在R-540過程氣經(jīng)E-541、E-542加熱后在催化劑床層H-543發(fā)生反應(yīng)，R-540裝有一段催化劑床H-543，H-543包括5層（A、B、C、D、E），D、E兩層擴(kuò)徑以獲得最佳的速度保證殘留二氧化硫的最終轉(zhuǎn)化，最后總轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.9%。最終反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)E-544冷卻至275℃進(jìn)入冷凝器D-550下部。

圖1 制硫酸單元——焚燒爐部分Fig.1 Producing sulfuric acid unit - incinerator section

圖2 制硫酸單元——一級(jí)反應(yīng)器和冷凝器部分Fig.2 Producing sulfuric acid unit - primary reactor and condenser sections

反應(yīng)產(chǎn)物在D-550中經(jīng)玻璃管換熱器E-551、E-552與空氣換熱后被冷卻至70℃，硫酸凝結(jié)至D-550下部酸池，自流至酸罐T-570。

2 制硫酸單元工藝流程圖

本項(xiàng)目采用霍尼韋爾Experion PKS系統(tǒng)，所有的服務(wù)器、防火墻、控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)都是冗余配置的。以便某一路發(fā)生故障后，可以自動(dòng)跳到另一路工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)性與安全性。該系統(tǒng)能夠集成邏輯控制、回路調(diào)節(jié)控制、順序控制和批量控制為一體，可以完成工藝線的連續(xù)過程控制、產(chǎn)品批量處理、離散量操作、設(shè)備控制等生產(chǎn)控制，能保證系統(tǒng)順利運(yùn)行[4]。

根據(jù)上述的制硫酸單元工藝流程的介紹，繪制流程圖如圖1、圖2、圖3所示。該控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集焚燒爐內(nèi)、一級(jí)反應(yīng)器和冷凝器、二級(jí)反應(yīng)器和冷凝器的溫度和壓力，以及設(shè)備前后所需要的數(shù)據(jù)，并能通過控制邏輯來調(diào)節(jié)現(xiàn)場相應(yīng)的泵和閥門的啟停，利用PID算法調(diào)節(jié)變頻等，保證了工藝過程順利進(jìn)行和現(xiàn)場設(shè)備的安全。

圖3 制硫酸單元——二級(jí)反應(yīng)器和冷凝器部分Fig.2 Producing sulfuric acid unit - secondary reactor and condenser sections

3 總結(jié)

本文主要介紹對(duì)年產(chǎn)40萬噸加氫尾油異構(gòu)脫蠟裝置項(xiàng)目中產(chǎn)生的含硫的酸性氣體進(jìn)行處理。含硫的酸性氣排入大氣內(nèi)，造成酸雨違反國家環(huán)境保護(hù)政策。因此，某石化公司對(duì)含硫的酸性氣回收利用硫離子形成硫酸，進(jìn)行出售。這樣既起到環(huán)保的效果，又能回收部分利潤，價(jià)值可觀。制硫酸控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，操作人員可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)變化，保證制硫酸單元工藝過程安全進(jìn)行。