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)過程中的一種重要原料。但光氣合成過程是一個(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)過程測量儀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)中類似生產(chǎn)過程工藝提供借鑒。

光氣又稱碳酰氯，微溶于水，較易溶于苯及甲苯等。光氣常溫下為無色氣體，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)過量。如果沒有催化劑且雜質(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。

滿足工藝要求的氯氣和一氧化碳通過雙閉環(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，前者稱為從動(dòng)量(副物料)，后者稱為主動(dòng)量(主物料)，也就是說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合分為開環(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，滿足工藝要求的氯氣和一氧化碳分別經(jīng)過各自的加料管線進(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

在氯氣加料過程中，TI-101用來檢測氯氣溫度，要求實(shí)現(xiàn)低溫報(bào)警；PI-101用來檢測氯氣壓力，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)，用來檢測氯氣流量，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用來測量氯氣加料過程中的壓差，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。

在一氧化碳加料過程中，TI-102用來檢測一氧化碳溫度，要求實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警；PI-103用來檢測一氧化碳?jí)毫?，要求?shí)現(xiàn)高低限壓力報(bào)警；FC-103為一氧化碳加料流量計(jì)，用來測量一氧化碳的流量，并通過比值控制模塊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用來檢測一氧化碳加入過程中的壓差，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)的檢測控制方案均通過DCS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

為保證加料過程和化學(xué)反應(yīng)過程的安全，設(shè)置了由獨(dú)立ESD安全聯(lián)鎖緊急停車系統(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量儀表選型是控制方案中的關(guān)鍵點(diǎn)，為保證測量精度和可靠性，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)測量值通過PID運(yùn)算來控制氯氣流量調(diào)節(jié)閥FV-101的開度，實(shí)現(xiàn)氯氣的加料控制；同時(shí)氯氣流量計(jì)測量值送給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)送來的測量值進(jìn)行比較，通過PID運(yùn)算去控制一氧化碳流量調(diào)節(jié)閥FV-102的開度，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)開車投運(yùn)前由于氯氣和一氧化碳都受各自低壓差的聯(lián)鎖導(dǎo)致閥門無法打開，因此在系統(tǒng)開車投運(yùn)前必須通過模擬加入假信號(hào)，使其先滿足加料條件以保證加料閥的正常打開，保證系統(tǒng)正常啟動(dòng)。

4 結(jié)束語

筆者對(duì)光氣合成過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)過程中已投入運(yùn)行，能夠滿足工藝控制要求，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，在同類生產(chǎn)中具有一定的借鑒意義。

[1] 陳毅峰,呂洪杰.淺談光氣及光氣化生產(chǎn)裝置安全和防護(hù)措施[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(11):73～77.

[2] 翁維勤,孫洪程.過程控制系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:64～68.

[3] 王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1991:157～162.

[4] 王再英,劉淮霞,陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 荊勝南,張繼,王洪元.緊急停車系統(tǒng)(ESD)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2010,27(8):1123～1126.

[6] 何衍慶,黃海燕.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[7] 云蘇和,王維,劉彥芳,等.TPS系統(tǒng)比值控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2011,47(4):80～81.

[8] 范玉久.化工測量及儀表[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[9] 蔡世基.淺談閥門選型應(yīng)注意的問題[J].石油化工自動(dòng)化,2011,47(2):67～69.