精細化工中自動化技術的應用

江海波(山東凱泰科技股份有限公司，山東 青島 266033)

0 引言

精細化工行業在我國已經發展了很長時間，自動化技術的出現固然對精細化工的發展有一定的幫助作用。由于自動化技術在精細化工的應用比較復雜，當前如果想將自動化技術徹底應用在精細化工行業中還是有一定難度的，但是精細化工的發展方向將是高度自動化。如何提高自動化技術在精細化工中的應用是當前需要思考的問題。

1 精細化工與自動化技術

1.1 精細化工

精細化工與傳統的化工行業不同，精細化工行業中使用的生產技術更多，其工藝流程更加復雜，加工過程中需要使用多種原材料進行多次反應，最后才能得到目標化學產品。精細化工涉及的行業比較多，例如常見的催化劑以及其他種類的助劑、醫學行業中各類醫藥產品以及各種高分子新型材料等都屬于精細化工產品，精細化工產品的質量要求非常高，精細化工產品的主要種類為助劑。精細化工行業對工作人員的素質要求非常高，精細化工行業的工作人員必須對反應的各個流程詳細了解，在實際工程中務必按照規定的制度操作，否則會引發一系列的化學反應，造成化學安全事故，嚴重時會發生爆炸威脅到工作人員的生命安全。

1.2 自動化技術

自動化技術比較復雜，它包括了計算機技術、控制技術、信息傳播技術、電子技術、編程技術等，自動化技術的使用比較廣泛，例如物流行業、工業生產、人工智能、臉部或瞳孔識別等。自動化技術通過用來解決實際問題，例如物流行業中使用自動化技術實現自動分揀、工業生產中使用智能機器人或者自動化設備在高危高風險情況下作業、電力行業中的自動配電系統等，自動化技術的出現有效提高了各行業的工作效率，同時降低了生產中的風險。自動化技術對計算機技術的使用非常重視，自動化需要使用編程技術對工作邏輯進行編輯才能實現自動化，因此自動化控制系統可以說是自動化技術的核心。在傳統的工業生產中，自動化技術的控制系統多采用DCS 控制系統，DCS控制系統對工業生產中的各個設備進行拆分，然后進行分布式控制。例如DCS 控制系統直接控制工業生產的網絡層和控制層，網絡層的作用是實現工業生產中各設備的連接并傳輸數據，而控制層的作用是對工業生產中的各個設備進行控制。DCS 的控制層需要根據工作設備的狀態和工業流程實現對各設備進行操控，同時還能根據設備的運行狀態判斷設備是否故障，如果DCS 控制系統中存在報警裝置，還能及時通過報警裝置發出設備運行異常的警告[1]。

2 精細化工中自動化技術的發展現狀

自動化技術在精細化工中的發展現狀有以下幾個現象：

(1)傳統行業不愿意花費大量資金實現自動化，例如石油化工企業在生產中使用的化工原材料比較固定，操作流程也比較固定，因此即使自動化技術對企業發展比較好，可以實現企業生產自動化，但是化工企業卻認為自動化技術沒有必要應用在生產中。自動化技術雖然可以實現生產過程的自動化，現有的生產效率并不低，而且有些生產過程中需要人工操作間歇式反應，因此精細化工企業更不愿意使用自動化技術。如果自動化控制系統可以根據反應狀態做出人工類型的判斷，可以解決精細化工企業生產中的絕大部分問題，自動化技術就可以應用在大部門精細化工行業中。

(2)傳統行業的龍頭企業使用自動化技術的意愿不強，因此自動化技術很難得到大范圍推廣。小型企業的生產規模小，需要的操作人員不多，而且對操作人員的素質要求不高，因此精細化工小型企業認為應用自動化技術還要加強對員工的培訓，耗費的資金與收入不成正比，小型精細化工行業不愿意嘗試使用自動化技術，自動化技術在精細化工行業的發展和推廣速度受到極大限制。

(3)近年來國家為保證化工行業的生產安全，對精細化工行業的生產工藝流程等方面出臺了新的政策規定，國家嚴格要求精細化工的生產環境和操作規范，因此精細化工行業為了提高生產的安全性和規范性，將會自發地選擇應用自動化技術優化企業的生產工藝。國家對精細化工行業嚴格要求同樣可以推動自動化技術在精細化工行業的發展和應用，有利于提高整個行業環境的安全性，減少生產過程中需要的人力成本，降低人工操作的危險性[2]。

3 精細化工中自動化技術的應用

精細化工行業中傳統生產模式中各階段反應材料的供應具有一定的滯后性，當決定開始生產時設備開始運轉但是材料供應卻不到位，造成某一反應材料積累過多，不利于維持化學反應的穩定。精細化工行業多為間歇式生產的模式，間歇式生產對每個反應的材料供應更加慢，因此反應更加不容易控制。而自動化技術應用在精細化工中，反應通過自動化系統進行控制，可以在運轉反應設備時同時供應反應需要的各種材料，有效提高了反應的穩定性，降低了反應過程中的安全風險，因此自動化技術在精細化工中應用是非常必要的。

3.1 改進精細化工設備優化生產工藝

精細化工行業的生產模式多為間歇式生產，而間歇式生產會嚴重導致材料供應的滯后，因此首先要運用自動化技術改進精細化工設備優化生產工藝。生產工藝的改造可以通過更換管式反應器，管式反應器可以與間歇式生產模式相互結合，當精細化工反應開始時反應原料進入到管式反應器中，當生產停止原料停止供應時在管式反應器中進行反應，當生產重新開始時原料重新開始供應，管式反應器又重新開始接受反應原料。與管式反應器類似的還有連續釜式反應器、流化床反應器等，這些反應器的共同點在于可以連續反應，連續反應解決了間歇式的生產的滯后性問題，所以可以通過改進精細化工的設備優化生產工藝。除了改進生產設備中的反應器以外還可以在現有反應設備的基礎上進行優化，改進精細化工設備主要解決的是反應的滯后問題，解決反應的滯后問題即可實現反應的自動化，因此可以利用自動化技術對反應所需的反應原料輸送裝置進行控制，自動化系統需要保證各階段反應所需要的不同原料同時送到反應發生器中，這樣可以保證反應原料同時達到發生器中進行反應，反應直接開始提高了精細化工生產的穩定性。除此之外還要通過自動化技術控制反應原材料的供應量，通過自動化控制系統同時供應反應所需要的材料，保證各階段發生的反應完全，沒有多余反應原料的剩余可以降低精細化生產中的風險，還可以將反應原料的成本控制在最低。

3.2 運用自動化技術改進控制系統

傳統的精細化工中的控制系統多為單回路控制系統，單回路控制系統在控制較大反應原料的供應中容易造成供應滯后，當反應比較劇烈時單回路控制系統的控制精度比較低，不能準確控制反應原料供應的時間、溫度以及原料的供應量，因此傳統的單回路控制系統需要嚴格監控各階段的反應，防止反應原料供應滯后導致反應不穩定造成安全事故，因此可以使用自動化技術優化精細化工中的控制系統。傳統的反應在反應釜中進行，反應釜的空間大而且反應壁較厚，因此想要控制反應釜的溫度需要通過夾套裝置，而反應的冷卻水對反應釜的降溫存在誤差，不利于控制反應環境的溫度。而有些精細化工生產要求在恒溫下發生反應，自動化控制系統的溫度控制首先要在反應器中設置溫度傳感器，然后又自動化控制系統中的網絡層控制反應溫度參數的傳輸，自動化控制系統中的DCS 系統再根據溫度變化參數調節循環水系統，通過循環水系統達到控制反應溫度的目的。DCS 系統通過自動化技術可以保持反應器中溫度恒定，有利于維持反應溫度，自動化技術應用在精細化工中有效降低了反應的風險系數。與傳統控制系統想對比，自動化技術應用在精細化工中可以即時有效地對反應環境進行控制，不再具有滯后性[3]。

3.3 自動化聯鎖控制

傳統的精細化工控制系統在聯鎖控制方面路徑較長，在發生安全事故時不能立即停車，而精細化工中應用自動化技術可以有效提高控制效率，在發生安全事故時可以通過自動化聯鎖控制系統立即停車，自動化系統明顯優化了控制流程。精細化工的緊急停車系統是非常重要的，因此緊急停車的速度直接決定了安全事故的擴散范圍，如果緊急停車的速度慢，最后安全事故會對更多工作人員造成傷害，企業經濟損失嚴重。因此自動化技術對緊急停車系統進行優化，在停車系統中添加自動化聯鎖控制裝置，自動化系統操作人員如果發現生產過程中出現安全事故，可以直接在自動化操作系統中進行操作，直接進行停車操作。而自動化聯鎖控制系統通過切斷反應器與空氣或者油的連接，反應器缺少反應介質最后反應停止。或者自動化聯鎖控制通過控制反應冷卻循環水系統強制對反應異常的反應器降溫，防止反應器發生爆炸。自動化聯鎖控制系統需要具有一定的事故判斷邏輯，可以根據事故的嚴重性自發判斷是否需要緊急停車，如果需要緊急停車自動化聯鎖控制系統可以控制精細化工的電力系統，切斷生產中各階段的反應[4]。

4 精細化工中自動化技術的應用前景

當前自動化技術雖然應用在精細化工中實現了反應原料和反應環境的自動化控制，但是在某些工藝復雜的精細化工生產中還需要用人工進行輔助控制。精細化工生產中很多環節采用的都是人工操作自動化系統與現場工人操作反應設備相互結合的模式，這些精細化工中使用自動化技術仍然不能使生產全自動化，極大地限制了自動化技術的應用和傳播。因此在未來自動化技術有進一步的發展之后，將會在精細化工中實現全自動化控制，將不再需要人工輔助控制。另一方面自動化技術在未來將會實現在精細化工中對各處反應進行更加細微的控制，整個自動化系統的控制精度更高，可以將安全事故解決在萌芽中，自動化技術在精細化工中的應用將是大勢所趨。

5 結語

綜上所述，精細化工可以將自動化技術應用在改善精細化工的生產設備、改進自動化控制系統以及采用自動化聯鎖控制系統等方面上，精細化工可以通過自動化系統對反應原料的供應以及反應環境進行控制，保證各階段的反應正常進行，降低生產過程中發生安全事故的幾率。