陳立軍 任 娟 王冬雪 肖建國 陳偉鳳 王 睿

(1.東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012；2.吉林市寰盟科技有限責任公司，吉林 吉林 132012；

3.吉林省水資源管理中心，長春 130022；4.吉林電力股份有限公司四平第一熱電公司，吉林 四平 136001)

環(huán)氧丙烷(PO)是除聚丙烯和丙烯腈外的第三大丙烯衍生物，是重要的基本有機化工合成原料，也是油田破乳劑等的主要原料，現已廣泛用于化工、建筑及醫(yī)藥等領域。目前國內外工業(yè)PO的生產工藝主要有氯醇法、共氧化法(也稱間接氧化法)和直接氧化法(HPPO工藝)。氯醇法生產工藝成熟、操作負荷彈性較大、對原料丙烯純度要求不高；缺點是會產生大量含氯化鈣廢水，易對設備產生腐蝕，并且會消耗大量氯氣。共氧化法克服了氯醇法的缺點，但也有其不利之處，如工藝流程長、對原料規(guī)格要求高、設備造價高、防爆要求及操作條件嚴格等[1]。直接氧化法是一種綠色環(huán)保的新型生產工藝，與傳統(tǒng)的PO生產工藝相比，HPPO技術生產過程中產出的副產品極少、流程簡單、產品收率高、投資少、能耗少、無污染，因此受到了越來越多的關注。

目前，Basf、Dow及韓國SKC等公司先后以過氧化氫直接氧化法生產PO，但是生產過程中會放出大量反應熱，而且催化劑具有嚴格的激活溫度，只有在該激活溫度以上時才能獲得合理的過氧化氫轉化率，保證PO的收率；但溫度過高會導致副反應增加進而影響PO的選擇性[2]。在現有HPPO生產PO中存在調溫水控制不穩(wěn)定，達不到工藝要求的問題。針對這個問題，筆者以某化工廠直接氧化法生產PO過程為研究對象，采用Honeywell Experion PKS過程知識系統(tǒng)，設計調溫水自控系統(tǒng)。

某化工廠直接氧化法生產PO工藝的調溫水自控系統(tǒng)主要由PO反應器、調溫水泵、濕式空冷器(WSAC)單元、公用備用泵、冷卻器和加熱器、流量調節(jié)閥及溫度調節(jié)閥等組成。

反應器的溫度控制是影響PO產品質量的重要因素，因此每個反應器都配有一個閉環(huán)調溫水系統(tǒng)，在30～52℃供給適量的冷卻水，移出大量反應熱。調溫水供給從反應器頂部進料，然后一股分流自反應器上部區(qū)域排出，其他從反應器底部排出。排出水流入PO反應器調溫水泵的吸入管線中，打入調溫水系統(tǒng)進行溫度調節(jié)。調溫水進入反應器的總量和反應器各自排放量依照需求總量與調溫水設定溫度調節(jié)，以便在反應器內獲得均衡的溫度分布，有效地除去反應熱，從而實現對反應器系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定控制，保證整個反應系統(tǒng)正常運行，提高PO的收率和選擇性。

2 控制方案

某化工廠直接氧化法生產PO工藝的調溫水自控系統(tǒng)的方案設計如圖1所示。再生-加熱時，加熱溫度控制器對加熱流量控制器進行串級控制，嚴格控制加熱蒸汽的投入量；再生-制冷時，制冷溫度控制器與參考溫度控制器進行比較，來有效控制冷卻水的投入量，這樣對被控溫度的控制直接且穩(wěn)定。參照其他換熱控制系統(tǒng)，兩個換熱器各自單獨控制，或由人工參與加熱蒸汽和冷卻水的投入，與被控溫度不直接關聯?？梢员苊饧訜峄蛑评鋾r由于溫度控制的滯后，投入過多的加熱蒸汽或冷卻水而發(fā)生超調，甚至會引起系統(tǒng)振蕩，致使反應器內的溫度造成巨大波動，對產品質量產生惡劣影響。

圖1 調溫水自控系統(tǒng)方案

3 控制系統(tǒng)的實現

某化工廠直接氧化法生產PO工藝調溫水自控系統(tǒng)采用Honeywell Experion PKS，將人員與過程控制、經營和資產管理融合，具有響應速度快、可靠性高、安裝方便、易于維護及編程簡單等優(yōu)點[3]。Honeywell Experion PKS為用戶提供了遠高于DCS的功能，包括嵌入式決策支持和診斷技術；安全組件保證系統(tǒng)安全環(huán)境獨立于主控系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全和可靠性[4]。

調溫水自控系統(tǒng)由調溫水控制單元、操作站、管理中心及通信網絡等組成。調溫水Honeywell Experion PKS系統(tǒng)通過容錯以太網通信方式，利用交換機將服務器、操作站和C300控制器連接起來，現場各儀表單元通過I/O卡件集成到系統(tǒng)[5]。

調溫水系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示，PO生產過程中，調溫水系統(tǒng)正常操作，反應器底部排出的調溫水首先通過調溫水泵進入調溫水系統(tǒng)，溫度變送器(TWS)標頭溫度變送器/控制器通過操縱冷卻風扇的轉速實現對調溫水的粗調控制，旁路溫度控制器操縱旁路溫度控制閥對進行精細控制。加熱流量控制器工作在手動模式下，輸出0%，終止中壓蒸汽進入調溫水加熱器。

當催化劑活性減弱時，切換到再生模式。在再生過程中，WSAC單元停止運行，調溫水只通過旁路調節(jié)閥控制。每個反應器上部排出的調溫水在不同再生模式下分別流過不同的換熱器，使調溫水溫度始終保持在工藝需要的設定值。

圖2 調溫水系統(tǒng)工藝流程

在再生-加熱模式時，被控溫度變送器或加熱溫度控制器投運。加熱溫度控制器通過旁路溫度調節(jié)閥操縱被加熱水流量來控制溫度，熱水來自調溫水加熱器。此外，加熱溫度控制器的輸出還作為加熱流量控制器的設定值，組成串級調節(jié)回路，控制送至調溫水加熱器中的中壓蒸汽量。

在再生-制冷模式時，調溫水冷卻器出口的參考溫度控制器將其信號送至低選器，與被控溫度變送器/制冷溫度控制器比較，低選器輸出操縱旁路溫度調節(jié)閥的開度。當水溫達到50℃時，被控溫度變送器/旁路溫度控制器開始作用，系統(tǒng)從再生制冷切換到正常模式。加熱流量控制器工作在手動模式下，輸出0%，終止中壓蒸汽進入調溫水加熱器。

系統(tǒng)工作在不同模式下，對應的各溫度控制器的設定值：正常，加熱速率10℃/h，冷卻速率10℃/h，可在3種模式下單獨設置。加熱和冷卻速率不應超過10℃/h，避免調溫水溫度波動過大對反應器溫度控制造成不良影響。

該系統(tǒng)實現了過程監(jiān)控、數據采集、顯示、報警、歷史趨勢、報表、數據存儲及通信等功能，能夠進行集中監(jiān)視、操作和管理?？梢愿鶕に囈蠛蛯嶋H生產狀況，對系統(tǒng)的運行參數進行實時設定。

4 現場控制效果

該調溫水自控系統(tǒng)已應用于某化工廠年產30萬t的PO項目中，投運以來，系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定，控制效果良好，產品質量達到了設計目標。現場運行效果如圖3所示，圖3a為再生-加熱操作模式下加熱溫度控制器的控制曲線，加熱速率9℃/h；圖3b為再生-制冷操作模式下制冷溫度控制器的控制曲線，冷卻速率9℃/h?？梢钥闯?，即使在再生-加熱/制冷模式下，被控溫度也按要求以一定的速率升高或下降，控制效果理想，充分驗證了自控方案的可行性。

圖3 調溫水控制系統(tǒng)投運效果

5 結束語

筆者設計的直接氧化法生產PO工藝調溫水自控系統(tǒng)，實現了對反應器溫度的穩(wěn)定控制，系統(tǒng)可以在不同模式下快速切換，并且操作簡便。有效地提高了PO的生產效率和產品收率，降低了企業(yè)能耗，提高了經濟效益。目前，該系統(tǒng)已應用于某化工廠年產30萬t的PO生產項目中，投運以來，系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定，產品質量達到了設計目標。該系統(tǒng)的成功投運降低了操作人員的勞動強度，提高了系統(tǒng)運行的可靠性與連續(xù)性，具有廣闊的應用前景。

[1] 張軍,于春梅.環(huán)氧丙烷的生產及發(fā)展趨勢[J].化學工業(yè),2014,32(5):18～21.

[2] 朱斌.HPPO工藝催化劑活性組分研究[J].石油學報(石油加工),2013,29(2):223～227.

[3] 李艷,張健,朱學峰,等.DCS控制系統(tǒng)及軟測量技術在間歇制漿蒸煮過程的應用[J].化工自動化及儀表,2003,30(4):26～27.

[4] 李生光.國產DCS在大型機組上的應用技術評價[J].電力建設,2009,30(5):71～73.

[5] 王寶剛,李東潔.基于STC89C52的水溫自動控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(9):111～113.