先进过程控制技术在环氧丙烷生产中的应用

2021-12-31张恩涛田毅丹

氯碱工业 2021年6期

张恩涛，田毅丹

(滨化集团股份有限公司，山东滨州 256600)

先进过程控制(Advanced Process Control，简称APC)是基于现代控制理论的一种新技术，是集计算机技术、过程控制和工艺于一体的现代过程控制技术，是对常规控制技术的发展。自20世纪30年代以来，随着自动化技术、控制理论、计算机技术以及通信技术的快速发展和不断完善，先进控制越来越多地被成功应用于工业生产中，并取得了显著的成果，目前普遍应用的是以预测控制理论为基础的控制技术[1-2]。

1 工艺过程分析

环氧丙烷装置具有工艺复杂、变量多、变量间的相互干扰大等特点，使用常规PID控制回路只能满足单个回路的稳定性，很难实现装置内多个变量最优化的目标，因此滨化集团股份有限公司化工分公司(以下简称“滨化化工分公司”)决定在环氧丙烷装置采用APC技术，最大程度地对装置进行挖潜，降低能耗，提高产品质量。

该环氧丙烷装置是滨化化工分公司自行设计的，主要是以丙烯、氯气和Ca(OH)2溶液为原料，经过氯醇化工序、皂化工序、精馏工序得到成品环氧丙烷和副产品。装置生产能力为17.5万t/a。

1.1 氯醇化工序

该工序主要是使氯气与丙烯在一定条件下反应生成氯丙醇,该工序的控制关键点如下。

(1)从安全与环保方面考虑，整个反应中应始终保持丙烯过量。但是丙烯的过量却加大了生产成本，因此，如何实现丙烯与氯气精准控制成为提高产品产量、降低能耗、提高安全生产的关键因素。

(2)反应压力对于整个反应过程影响很大。较高的操作压力可以提高丙烯与氯气在水中的溶解度，减少能耗；但是在压力提高的同时，会加剧设备的腐蚀。因此，反应压力的控制是制约产品产量的一个关键点。

(3)理论上循环气(丙烯)量越大，溶液(氯丙醇)中气含量越大，但是当气泡饱和时，循环气的增加又会降低气含量，不利于反应的进行，因此循环气量的大小也是该工序需要控制的一个关键点。

1.2 皂化工序

此单元为氯醇化工序中生成的氯丙醇与Ca(OH)2溶液反应生成粗环氧丙烷。该工序控制关键点如下。

(1)在皂化反应过程中，为了使氯丙醇反应充分，工艺要求Ca(OH)2溶液过量。如果能准确控制氯丙醇与Ca(OH)2溶液的反应比值，将可以大大降低氢氧化钙溶液的用量，可以最大化提高装置的生产能力、节约成本。

(2)皂化塔的反应温度也是影响该单元生产能力的关键点：温度过低，会造成反应速率降低，同时也会造成氯丙醇的转化率降低；温度过高，则会造成副产品的生成，降低皂化系统的生产能力。

(3)环氧丙烷易水解成丙二醇，因此，皂化反应过程应选择一个较适宜的塔内停留时间。如果时间过长，环氧丙烷将会水解；时间过短，则会导致反应不完全。因此，停留时间的控制成为皂化系统产量的关键因素。

1.3 精馏工序

精馏工序主要是粗环氧丙烷通过脱轻塔分离轻组分后，进入精馏塔进行提纯，得到成品环氧丙烷和副产品。该工序控制关键点如下。

(1)精馏塔的回流比(即回流量与出料量的比值)直接影响产品的质量和产量。如果回流比过大，会使塔顶轻组分增加，但是会降低产品的产量；如果回流比过小，则会导致塔顶重组分增加，进而导致产品质量下降。

(2)适当控制好进料量和温度，可以在满足产量最大化的同时，最大程度地降低精馏工序所使用的蒸汽量，降低消耗；进料量与温度的稳定也能使塔中的负荷稳定，保持最优气液平衡，保证产品的质量。

(3)塔中压力是影响产品质量与产量的一个关键因素。压力升高，塔顶轻组分浓度增大，重组分减少，产品质量提高，但相对的塔顶馏分数量少，产品产量降低；反之，产品产量会得到提高，但是质量会有所下降。

(4)对于依靠温度进行物理处理的精馏工序来说，温度控制可以说是装置运行的保证，因此，温度控制恰当是保证精馏单元产品质量与产量的最关键因素。

2 先进控制系统在环氧丙烷装置上的应用

2.1 氯醇化工序

通过测试得出的氯醇化系统先进控制器结构如表1所示。

表1 氯醇化工序部分控制器变量列表

通过被控变量CV02将反应器顶部压力控制在适宜范围内时，能在保护设备的同时，确保丙烯与氯气的溶解度，促使反应的正向进行，在保护设备和产品产量上找到最佳值；控制好CV04可以确保循环气中氧含量在安全浓度范围内，保证了生产的安全性和环保；CV05范围的设定可以精确控制反应器中物料的配比，在保证反应充分的前提下，最大程度节约原料，降低成本。通过以上控制策略的实施，使得氯醇化系统在安全稳定运行的前提下，达到了物料反应最大化，大大提高了装置的生产水平和稳定性。

2.2 皂化工序

皂化系统是整个环氧丙烷装置的中间单元，影响整个装置的运行状态，皂化系统先进控制器结构关系如表2所示。

由于皂化回流液温度对于产品的生成具有较大影响，因此将皂化塔顶冷凝器的回流温度TI4209和TI4211设定为CV01和CV02，操纵变量MV01、MV02调节被控变量CV01和CV02。在控制器中对MV01、MV02做了优化控制，即在满足CV01的前提下，MV02最大化，MV01最小化，这样就降低了冷凝水和蒸汽的消耗；为了能最大程度地促使皂化反应的进行，在皂化系统中增加了测量Ca(OH)2溶液密度的密度计，同时将氯丙醇浓度纳入系统，由此就得到了CV03(皂化塔中Ca(OH)2与PCH摩尔比)，进而可以对皂化反应进行精确配比控制，实现物料的最佳反应条件，使能耗达到最小。

表2 皂化工序部分控制器变量列表

2.3 精馏工序

精馏工序控制器结构关系如表3所示。

表3 精馏工序部分控制器变量列表

该工序主要设备为脱轻塔和精馏塔，设备的稳定运行是生产的关键，因此，将粗PO储罐的液位作为CV01进行控制，可以确保脱轻塔进料量的稳定。为了保证脱轻塔出料的稳定，将脱轻塔顶冷凝器E-4302的压力阀位、脱轻放空温度、脱轻回流罐液位作为被控变量(CV02、CV03、CV04)加以控制，实现脱轻塔的稳定性，也降低了蒸汽等能源的消耗。

精馏塔作为环氧丙烷装置的最后工序，它的稳定性直接关系到产品的质量与产量，因此首先考虑精馏塔的稳定性，将脱轻塔底缓冲罐液位作为CV05进行控制，实现精馏塔进料的稳定性；在保证产品质量的前提下，产品产量的最大化，意味着效益最大化，因此，将精馏塔回流比、进料温度、塔釜温度均作为CV进行控制，保证产品质量和产量；能耗是一个装置运行效益的重要指标，精馏系统采用先进过程控制技术的目的是最大程度降低能耗。