光氣合成過程中雙閉環比值控制系統的應用分析

郭建文

(銀光化學工業集團有限公司儀表計量檢測中心,甘肅 白銀 730900)

隨著聚氨酯工業的迅速發展，作為聚氨酯工業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)的產量逐年增加。由于聚氨酯產品具有高強度、耐腐蝕、抗壓及靈活輕便等特性，可替代木材和鋼材，因此被廣泛應用于電子電器、建筑、密封劑、絕熱及制冷等領域。

目前TDI及MDI等大噸位異氰酸酯產品的生產廣泛采用的是直接光氣化生產工藝，其中光氣(COCl2)是TDI和MDI光氣化生產過程中的一種重要原料。但光氣合成過程是一個強烈的放熱反應且光氣具有劇毒性，因此在TDI和MDI的光氣化生產過程中為保證反應安全進行，溫度控制、對反應工藝參數的控制和反應過程中反應物加入量的準確控制顯得非常重要[1]，對過程測量儀表的選型和控制方案的確定應嚴格按設計規范進行，為此筆者對光氣合成過程中氯氣和一氧化碳加料量的典型雙閉環比值控制系統進行應用分析，以期對行業中類似生產過程工藝提供借鑒。

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，化學性質不穩定，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，但在體內無蓄積作用。

工業上通常采用一氧化碳與氯氣的混合物通過活性炭反應制得光氣，為了獲得高質量的光氣同時減少設備腐蝕，經過徹底干燥的一氧化碳在與氯氣混合時，應保持適當過量。如果沒有催化劑且雜質含量低于規定濃度時，該混合物在常溫下是穩定的。

滿足工藝要求的氯氣和一氧化碳通過雙閉環比值控制分別進入混合器，氣體混合物自上而下進入光氣反應器，在活性炭催化劑和一定壓力下作用生成光氣，生成的光氣進入下一流程。

2 比值控制系統

在化工、煉油和其他工業生產過程中，經常需要兩種或兩種以上的物料按一定比例混合或進行化學反應，一旦比例失調，輕則造成產品質量不合格，重則會造成生產事故或發生危險[2]。比值控制的目的就是為了實現幾種物料按一定比例關系混合，使生產安全、正常運行[3]。

在比值控制系統中，一種物料的流量需要跟隨另一種物料流量而變化，前者稱為從動量(副物料)，后者稱為主動量(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系進行變化[2]。

比值控制系統根據不同的工藝控制要求和使用場合分為開環比值控制系統、單閉環比值控制系統和雙閉環比值控制系統。在此筆者主要以雙閉環比值控制系統為對象進行闡述。雙閉環比值控制系統(圖1)在主物料對象中引入一個閉環回路，解決了單閉環比值控制系統中主物料流量不受控制的問題。雙閉環比值控制系統既能實現主-副物料流量比值的恒定，又能實現進入系統的總負荷平穩，同時方便提降負荷。如果改變系統的反應負荷，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，同時副物料流量也自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變，系統控制精度較高，安全可靠。但該系統所用儀表數量較多，投資較高[4]。

圖1 雙閉環比值控制系統框圖

在光氣合成過程中，氯氣和一氧化碳的加料控制就是一個經典的雙閉環比值控制。

3 應用分析

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，為保證系統安全和生成物質量，對氯氣和一氧化碳的加入量有嚴格要求，氯氣和一氧化碳必須按照一定量準確地加入混合器，同時在加入過程中氯氣和一氧化碳必須保持所設定的比例關系，并且對氯氣和一氧化碳的加入設置安全聯鎖方案，當工藝參數出現異常時，可緊急聯鎖停止加料[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。根據工藝流程圖，滿足工藝要求的氯氣和一氧化碳分別經過各自的加料管線進入混合器并按比例進行混合，混合后氣體進入反應器，在活性炭催化劑作用下根據一定工藝條件反應生成光氣，反應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，要求實現低溫報警；PI-101用來檢測氯氣壓力，要求實現氯氣壓力高低限報警；FC-101為氯氣加料流量計，用來檢測氯氣流量，并與FV-101調節閥組成氯氣加料流量調節回路，實現氯氣低流量報警；PD-102用來測量氯氣加料過程中的壓差，要求實現壓差的高低限報警；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，要求實現高溫報警；PI-103用來檢測一氧化碳壓力，要求實現高低限壓力報警；FC-103為一氧化碳加料流量計，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調節閥組成一氧化碳加料流量控制回路，同時實現低流量報警；PD-104用來檢測一氧化碳加入過程中的壓差，要求實現壓差高低限報警；HSV-102為一氧化碳加料切斷控制閥。

以上工藝參數的檢測控制方案均通過DCS系統來實現。

為保證加料過程和化學反應過程的安全，設置了由獨立ESD安全聯鎖緊急停車系統實現的安全聯鎖方案[5]。當氯氣壓力達到高限聯鎖值時、當氯氣(一氧化碳)流量達到低限聯鎖值時、當氯氣(一氧化碳)加料過程壓差達到低限聯鎖值時或比值控制模塊運算結果達到低限聯鎖值時，將聯鎖關閉氯氣控制調節閥FV-101、氯氣切斷控制開關閥HSV-101、一氧化碳調節閥FV-102和一氧化碳切斷控制開關閥HSV-102，防止在工藝異常時氯氣和一氧化碳進入混合器。即當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，都會禁止向混合器加料。

氯氣和一氧化碳流量測量儀表選型是控制方案中的關鍵點，為保證測量精度和可靠性，一般選用質量流量計。

雙閉環比值控制系統中氯氣是主物料，一氧化碳是副物料。氯氣流量計測量值通過PID運算來控制氯氣流量調節閥FV-101的開度，實現氯氣的加料控制；同時氯氣流量計測量值送給FC-102比值運算模塊，與事先設置好的比值系數進行運算，運算后的結果作為一氧化碳流量PID控制的給定值，與一氧化碳流量計送來的測量值進行比較，通過PID運算去控制一氧化碳流量調節閥FV-102的開度，從而實現一氧化碳加料的控制。比值運算模塊在DCS系統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，同時氯氣作為主物料有完整的控制調節回路，以保證氯氣加料的閉環可控。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，即可實現改變系統的反應負荷。

上述方案實現過程中所用儀表數量較多，較復雜。除氯氣和一氧化碳質量流量計外，為保證系統安全可靠，防止毒氣泄漏，系統還配置了毛細管式單法蘭遠傳壓力變送器、毛細管式雙法蘭遠傳壓力變送器[8]、金屬波紋管密封式調節閥和三重密封型氣動旋塞閥[9]。

系統開車投運前由于氯氣和一氧化碳都受各自低壓差的聯鎖導致閥門無法打開，因此在系統開車投運前必須通過模擬加入假信號，使其先滿足加料條件以保證加料閥的正常打開，保證系統正常啟動。

4 結束語

筆者對光氣合成過程中氯氣和一氧化碳加料雙閉環比值控制系統進行了分析。由于反應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，因此設置了安全聯鎖系統以保證反應過程加料精確、安全可靠。該方案在實際聚氨酯原料TDI生產過程中已投入運行，能夠滿足工藝控制要求，同時保證了生產的安全，是經典的雙閉環比值控制系統的實際應用，在同類生產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裝置安全和防護措施[J].中國安全科學學報,2005,15(11):73～77.

[2] 翁維勤,孫洪程.過程控制系統[M].北京:化學工業出版社,2009:64～68.

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

[4] 王再英,劉淮霞,陳毅靜.過程控制系統與儀表[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5] 荊勝南,張繼,王洪元.緊急停車系統(ESD)的實現[J].計算機與應用化學,2010,27(8):1123～1126.

[6] 何衍慶,黃海燕.集散控制系統原理及應用[M].北京:化學工業出版社,2009.

[7] 云蘇和,王維,劉彥芳,等.TPS系統比值控制在工業生產中的應用[J].石油化工自動化,2011,47(4):80～81.

[8] 范玉久.化工測量及儀表[M].北京:化學工業出版社,2008.

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