山东银河机械化工有限公司属有限责任公司,由临沂市木工机械总厂改制而成,生产“银河牌”(已注册)甲醛设备,成套甲醛生产线、多聚甲醛生产线、人造板机械;预压机,热压机,第一类、第二类低压、中压容器。

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        DCS控制系统在甲醛生产中的应用

        作者:陈祥来源:《世界仪表与自动化》 浏览次数: 日期:2010年9月9日

        摘要:

        一 前言

        现代科技领域中,计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支,计算机控制技术是这两个分支相结合的产物,它是工业自动化的重要支柱。随着自动化技术的广泛应用,企业的技术水平不断提升,通过优化生产过程,提高自动化程度,从而节能降耗,降低企业的生产成本,提高企业的市场竞争力,是当今流程工业发展的方向。在甲醛的生产中,我们采用先进的分散型控制系统(DCS)进行全程监控,使之脱离传统的手工操作模式,提高生产的技术水平。本文针对甲醛生产的特点,结合分散控制系统的应用进行阐述。

        二 甲醛生产工艺

        甲醛是重要的有机化工原料,广泛应用于树脂合成、工程塑料聚甲醛、农药、医药、染料等行业。含甲醛35% ~55%的水溶液,商品名为福尔马林,主要用于生产聚甲醛、酚醛树脂、乌洛托品、季戊四醇、合成橡胶、粘胶剂等产品,在农业和医药部门也可用于生产杀虫剂或消毒剂。

        按所使用的催化剂类型,分为两种生产方法:一种以金属银为催化剂,简称银法;另一种以铁、钼、钒等金属氧化物为催化剂,简称铁钼法。目前,国内主要采用银法,大多采用电解银作为催化剂,在爆炸范围上限以外(甲醇浓度大于36.5%)进行生产,催化剂寿命约为2~8个月;此外,还要求甲醛纯度较高,由于甲醇过量,脱氢过程生成的氢不能完全氧化,尾气中常含20%左右的H2。另外还有一些副反应产物,如:CO、CO2、甲酸、甲烷等。

        甲醇氧化法生产,反应式如下:

        CH3OH=HCHO+H2 -84 kJ/mol

        H2+1/2O2=H2O +243 kJ/mol

        CH3OH+1/2O2=HCHO+H2O +159 kJ / mol

        甲醛生产过程:原料甲醇由高位槽进入蒸发器加热,水洗后经过加热到蒸发器的甲醇层(约50℃),为甲醇蒸气所饱和,并与水蒸气混合;然后通过加热器加热到100~120℃,经阻火器和加热器进入氧化反应器;反应器的温度一般控制在600~650℃,在催化剂的作用下,大部分甲醇转化为甲醛。为控制副反应产生并防止甲酸分解,转化后气体冷却到100~120℃,进入吸收塔,先用37%左右的甲醛水溶液吸收,再用稀甲醛或水吸收,未被吸收的气体从塔顶排出,送到尾气锅炉燃烧,提供热能。甲醛生产工艺流程如图1所示。

        三 甲醛生产现状

        目前国内的甲醛行业受建材需求较强的带动,生产势头较好;而农业、医药等方面对甲醛的需求也十分稳健,从而使得甲醛具有较好的市场需求面。为提高甲醛的产品质量和生产能力,降低成本,保证生产的稳定和安全性,很多国内厂家对生产的自动控制提出了更高的要求。

        长期以来,由于甲醛生产中存在可能的危险性,在国内厂家中真正实现自动化的例子还不多。归纳起来,主要原因有:一方面,由于甲醇气体与空气混合,如果比例不当,存在发生爆炸的可能,所以一般要将氧醇比控制在一定的范围内;另一方面,在追求甲醇转化更完全的目标下,在氧醇比上有另外的要求。显然,这两者之间存在必然的矛盾,即安全和效益的矛盾,如何既能保证生产的安全性又能有效地提高生产的效益,这是整个甲醛生产中的核心问题。

        氧化器的温度是生产控制的一个重要指标,温度控制的稳定可以提高触媒的运行周期,从而可以大大降低生产成本。由上可知,氧化器温度是整个甲醛生产控制的关键,影响氧化器温度的变量主要有:(1)蒸发器的温度和压力;(2)干空气的流量;(3)配料蒸汽的流量;(4)冷却器出口的甲醛温度。当然,甲醇的浓度、空气的含氧量、空气的温度、蒸汽的温度、压力等都会影响到氧化器的温度。在控制中也必须加以考虑。

        在进入氧化器反应之前,甲醇必须配加一定量的蒸汽,加入配料蒸汽的主要目的是控制水醇比,另外,配料蒸汽还有以下作用:

        (1)可以缩小爆炸范围(甲醇的爆炸极限浓度为6.0~36.5%;甲醛的爆炸极限浓度为7.0~73.0%);

        (2)可以带走反应热;

        (3)可以净化触媒;

        (4)提高氧醇比。

        甲醛生产起始阶段,即通常所说的点火阶段,需要耗费较长的时间进行回路自动投运、参数调整等工作,使生产逐步向正常过渡。点火过程涉及诸多方面,是保证稳定生产的关键阶段。点火升温以后,如何提加风量和配料量是一个重要的环节,这关系到甲醛单耗的降低以及甲醛成品质量的提高。风量是生产负荷的标志,风量的提高即意味着生产负荷的提高。由于以前多采用常规仪表,无法进行有效的数据共享和智能协调。操作人员只能根据经验和降低进程速度等方法来进行生产控制,这样就存在较大的不稳定性和安全隐患,并且会造成人力、物力和时间上的资源浪费。

        四 甲醛生产控制方案及实施

        从上述对甲醛生产工艺的分析中,可知除蒸发、氧化工段外,其他控制均属常规控制,这里就不再赘述。在甲醇氧化工段中,氧化炉温度、三元配比综合控制是控制的核心,对生产安全、甲醇转化率、正常反应选择性、产品质量和催化剂寿命至关重要。

        对于整个控制方案,我们明确了具体的约束条件:

        (1)氧醇比的约束条件:电解银为催化剂时,选择氧醇比为0.36~0.44,控制甲醇浓度在爆炸范围的上限范围操作。

        (2)蒸发器温度约束条件:根据氧醇比要求,明确蒸发器温度范围。

        (3)空气流量约束条件:根据催化剂床层停留要求,确定空气流量范围。

        (4)水醇比约束条件:电解银为催化剂,水醇比为1~1.4。

        (5)氧温范围:氧温控制范围在600~650℃。

        关键参数及控制部分采取冗余技术:

        (1)氧化温度、蒸发温度备用通道。

        (2)氧化加热温度表。

        (3)高频调风机,可接受DCS的设定信号,可手/自动切换。

        (4)直接蒸汽采取粗、细调两个调节阀。(可选)

        (5)蒸发器加热采取粗、细调两个调节阀。(可选)

        氧化器温度是甲醛生产的重要指标,它直接影响转化率和决定化学反应的选择性。

        影响氧温的变量有:空气流量、蒸发器温度和配料蒸汽流量。

        在生产过程中,对氧化器温度影响最大的是空气流量,空气变化量如果大于5%,氧温波动可达到10~20℃。因此,从控制角度来说,空气流量是用来调节氧化器温度的一个很好的变量,很容易让人提出这样一种控制方案:氧温为外环,空气流量为内环组成一个串级控制,蒸发器温度和配料蒸汽流量均单回路调节,控制框图如图2所示。

        从实际运行的效果来看,蒸发器温度可以控制在±0.3℃以内,配料蒸汽流量可控制在±10m3/h,氧温偏差可以控制在±0.5℃以内。但是,当受外界(甲醇含量的变化,蒸汽总管压力的变化等等)影响时,虽然短时间内可以把氧化器温度稳定在一定的范围以内,但一段时间以后很容易引起空气放空阀的大幅度振荡,造成进入氧化器的空气流量变化也很大,这不仅对生产的稳定造成影响,另外对触媒层也造成很大冲击,影响到了触媒层的松紧程度,最终影响到触媒的寿命、甲醇的转化率,造成生产成本的提高。另外,风机风量具备调节能力,必然选择功率较大的风机,在设备配置上必然存在较高的要求。所以这种方案不是最佳方案。

        由此,我们提出了第二种方案:氧化器温度作为外环,蒸发器温度为内环组成串级调节,空气流量和配料蒸汽流量均单回路调节。控制框图如图3所示。蒸发器的温度对氧温的影响也很大,当蒸发器温度变化1℃,理论上氧化器的温度波动可达到30~40℃,实际上波动达到10~20℃。在触媒的后期,我们进行了这套方案的调试。空气流量,配料蒸汽流量都可以得到很好地控制,但很可能引起氧化器温度波动达到30~40℃。显然,采用滞后较大的温度信号作为内环来控制也不是一种很合理的方案。

        方案三:氧化器温度为外环,配料蒸汽流量为内环组成串级调节,蒸发器温度和空气流量均单回路调节,控制框图如图4所示。提出这种控制方案主要是考虑到以下几个因素:

        (1)配料蒸汽对氧化器温度的影响也比较大;

        (2)配料蒸汽对氧化器温度滞后一般为1~2min;

        (3)配料蒸汽流量变化对甲醛的产量没有太大的影响;

        (4)用流量作为一个内环的反馈信号,可以快速地克服一些干扰。

        当然,如果仅仅用一个简单的串级系统是很难把氧化器的温度控制得很好,在方案的实施过程中,控制系统事先允许操作人员设定或确认最佳运行状态的一组参数(包括空气流量、蒸汽流量、氧化温度、蒸发温度、风机转速等),系统将这些参数记录在运行系统平台的数据库中。具体的方案是:恒定风速,当外界干扰引起氧温变化时,首先通过氧温—蒸汽流量串级调节回路结合蒸发器温度调节回路快速调节氧温;当氧水比出现偏离时,根据数据库中的最佳运行参数、生产的现状,通过模糊数学模型的运算来修正蒸发温度,改变氧醇比,再次引起氧温的小幅变化,然后由氧温—蒸汽流量串级调节回路调节氧温恢复正常,从而恢复氧水比正常,继而氧醇比也得到了恢复。从上述方案的描述中,可了解到:控制执行好的关键在于编制人机接口(方便操作人员确定最佳运行参数)、建立模糊数学模型(主要是推理机的编制)和特殊情况处理方式。

        生产中如出现甲醇浓度增大现象,蒸发量增大,氧温降低,系统会自动减少蒸汽流量来提升氧温。此时,氧水比升高,当偏差超出允许范围,系统逐步降低蒸发温度,以减小蒸发量;如出现氧温升高现象,系统自动加大配料蒸汽流量来克服,使氧水比降低,直到恢复正常反应温度;当受到外界干扰时,蒸汽流量很可能偏离设定值比较大,造成水醇比的极大失调,在吸收了操作工的长期操作经验的基础上,在计算机中存储了不同氧化器温度下空气流量以及配料蒸汽流量的对应表格,对蒸发器温度的控制范围进行自动修正。

        另外,对于整个生产过程特别是点火阶段,我们充分利用DCS信息共享、历史数据查询及简便的自定义控制算法编制等优势,根据现场具体的工艺情况编制了控制程序,程序框图如图5所示。不但提高了控制水平,使产品质量得到稳定和增强,并且大大降低了操作人员的劳动强度。同时保证了生产的安全性,在实际生产中发挥了积极的作用。

        这种引入最佳工况的经验判断,并且通过智能系统记录并在线修正控制参数的方法有机结合了人工智能技术,充分发挥了DCS的各种技术优势。由于将三元配比控制的融入,大大提高了控制的精确度和可靠性,保证了产品的质量。

        投运第三种控制方案以后,效果明显优于前两套方案,得出了较理想的控制效果(氧温控制效果曲线比较如图6所示,氧化器温度控制在±2℃,配料蒸汽流量波动在±10m3/h,蒸发器温度控制在±0.3℃以内,空气流量控制在±5m3/h。

        从图中可以看出,方案一:在外界干扰下,氧化器温度能够相对较快地稳定在±3℃范围内,但抗干扰能力较弱;方案二:氧化器温度波动范围大,并且有较强的滞后;方案三:氧化器温度走势平稳,具有良好的控制品质。

        五 总结

        通过不断的积累和创新,我们充分发挥了在线组态、在线修改控制方案等优势,在不影响生产的前提下进行了各种控制方案的调试;同时,摸索各种最佳过程参数,为生产效率和控制效果的改进提供有力帮助。

        控制品质的提高确保了生产的安全和稳定,使产品的质量得到了必要的保证。由于氧化器反应温度稳定,触媒的使用寿命也延长了,为厂方降低了许多成本。许多甲醛生产厂家在成功使用DCS后均提高了效益。

        (全文完)

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