DCS系統(tǒng)在DCPI生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳映波，夏晨東，陳國(guó)全

(浙江麗水有邦新材料有限公司，浙江 麗水 323000)

0 引言

隨著化工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)業(yè)的升級(jí)、生產(chǎn)的規(guī)模化，化工企業(yè)智能化升級(jí)迫在眉睫。分布式控制系統(tǒng)(DCS)具備可控性強(qiáng)、可靠性高、開發(fā)性等特點(diǎn)。DCS系統(tǒng)能在化工生產(chǎn)中，能夠及時(shí)收集和整理數(shù)據(jù)為技術(shù)更新提供數(shù)據(jù)依托，能夠有效提供生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的安全性［1］。傳統(tǒng)的3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)工藝中采用常規(guī)儀表控制溫度、通光的速率、體系壓力等生產(chǎn)參數(shù)，存在人為操作誤差和滯后性，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，安全的可靠性［2］。本文在3,4-二氯苯基異氰酸酯的生產(chǎn)中融合DCS系統(tǒng)控制反應(yīng)器反應(yīng)溫度、連續(xù)化蒸餾塔釜液位、聯(lián)鎖應(yīng)用、緊急切斷系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。

1 3,4-二氯苯基異氰酸酯的概述

3,4-二氯苯基異氰酸酯(DCPI)是重要化工產(chǎn)品，可作為中間體廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥及高分子材料等。以3,4-二氯苯胺和劇毒光氣替代品固體光氣(BTC)為原料在惰性溶劑甲苯中，進(jìn)行冷熱光兩步法制備3,4-二氯苯基異氰酸酯［3］。產(chǎn)品的分離提純采用兩次蒸餾，其中第二次采用連續(xù)化蒸餾設(shè)備和技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的提純。工藝流程圖如圖1所示。固體光氣(BTC)具有毒性低，使用安全方便，固體可以準(zhǔn)確計(jì)量，反應(yīng)條件溫和，效率高。

圖1 3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)工藝流程

1.1 粗品的合成

第一步為冷光反應(yīng)，控制溫度≤20 ℃，進(jìn)行滴加BTC和甲苯溶液，過(guò)程中大部分3,4-二氯苯胺與BTC反應(yīng)生成3,4-二氯苯胺鹽酸鹽、3,4-二氯苯基氨基甲酰氯和氯化氫；第二步為熱光反應(yīng)，控制溫度80～90 ℃，過(guò)程中3,4-二氯苯基氨基甲酰氯脫附氯化氫生成目標(biāo)產(chǎn)物3,4-二氯苯基異氰酸酯；3,4-二氯苯胺鹽酸鹽進(jìn)一步與體系內(nèi)的BTC反應(yīng)，生成3,4-二氯苯基氨基甲酰氯并脫附氯化氫生成目標(biāo)產(chǎn)物3,4-二氯苯基異氰酸酯；通過(guò)兩步反應(yīng)3,4-二氯苯胺的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%[4]。在生產(chǎn)過(guò)程中采取3,4-二氯苯胺和甲苯溶液滴加至BTC和甲苯溶液中，確保胺與過(guò)量的BTC充分接觸并反應(yīng)，體系保持正方向進(jìn)行減少副反應(yīng)的發(fā)生。

1.2 產(chǎn)品提純

由于在反應(yīng)中生成氯化氫氣體，并在過(guò)程中未能完全溢出至尾氣。故反應(yīng)液酸度較高，先采用在一定溫度條件下進(jìn)行高純氮?dú)膺M(jìn)行吹掃處理，持續(xù)脫酸2～5 h，控制樣品測(cè)定酸度值≤1.0%；再進(jìn)行下一步減壓蒸餾，控制回流比進(jìn)行溶劑回收，控制溶劑含量≥99.50%，將剩余物料打至塔釜；最后在全真空條件下進(jìn)行連續(xù)化蒸餾收集產(chǎn)品，得到3,4-二氯苯基異氰酸酯，主含量≥99.0%。

2 DCS系統(tǒng)在3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 反應(yīng)器反應(yīng)溫度的控制

反應(yīng)器的溫度是精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)工藝中重要的參數(shù)，反應(yīng)器溫度的控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不僅影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也影響操作人員的生命安全，以及對(duì)社會(huì)造成危害。在生產(chǎn)過(guò)程中，需確保反應(yīng)器溫度保持在作用指導(dǎo)書中各工段溫度要求的范圍內(nèi)。在工藝中融合DCS溫度控制系統(tǒng)，操作人員只需按系統(tǒng)提示進(jìn)行操作即可。DCS控制系統(tǒng)在溫度測(cè)量方面的部件采用高靈敏度電阻，其對(duì)化工生產(chǎn)中的溫度反應(yīng)能夠進(jìn)行嚴(yán)格的感知和控制，在設(shè)備發(fā)生溫度異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，可以有效避免溫度產(chǎn)生的影響［5］。

3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)過(guò)程中需控制冷熱二檔溫度。反應(yīng)器溫度的控制，如圖2所示。在冷光反應(yīng)階段，溫度需控制≤20 ℃，是固體光氣與3,4-二氯苯胺反應(yīng)的過(guò)程，低溫能有效防止副產(chǎn)物雙-(3,4-二氯苯基)脲的生成；在熱光反應(yīng)階段，溫度需控制在80～90 ℃，在此溫度下3,4-二氯苯基氨基甲酰氯脫附氯化氫效率和3,4-二氯苯胺鹽酸鹽進(jìn)一步反應(yīng)效率均為最高，同時(shí)能有效控制脲類聚合物或多聚物產(chǎn)生。反應(yīng)器的溫度控制是工藝的關(guān)鍵過(guò)程，其控制水平對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)和安全生產(chǎn)有著重要的影響。在物料A(固體光氣與甲苯混合液)和物料B(3,4-二氯苯胺與甲苯混合液)進(jìn)入反應(yīng)釜的反應(yīng)過(guò)程中為放熱反應(yīng)，因此物料B流量控制是否穩(wěn)定對(duì)反應(yīng)器溫控有著顯著影響。故配套質(zhì)量流量計(jì)、橢圓流量計(jì)、流量定值控制儀，自動(dòng)控制兩種原料液進(jìn)入體系的流量，控制誤差≤1%，確保體系物料比例，為反應(yīng)溫度的穩(wěn)定提供保障。

圖2 反應(yīng)器溫度的控制

DCS具體溫度控制過(guò)程為：

(1)當(dāng)15≤T1≤20 ℃時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行DCS程控1，啟動(dòng)冷凍鹽水調(diào)節(jié)閥V3,采用溫度與流量計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)；

(2)當(dāng)T2＜80 ℃,同時(shí)打開V1、V2采用一般的單回路PID控制；

(3)當(dāng)80≤T2≤90 ℃時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行DCS程控2；

(4)當(dāng)T2＞90 ℃，自動(dòng)執(zhí)行DCS程控3，自動(dòng)切除調(diào)節(jié)閥V1、V2。

采用該DCS控制系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度全過(guò)程自動(dòng)化控制，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)冷凍鹽水和蒸汽的流量，可使溫度控制在設(shè)定值偏差1 ℃范圍內(nèi)［6］。

2.2 連續(xù)化蒸餾塔釜液位的控制

由于異氰酸酯類產(chǎn)品與水及水汽反應(yīng)活性高，故產(chǎn)品的分離提純一般采用蒸餾的方式。目前蒸餾分離過(guò)程絕大多數(shù)采用間歇蒸餾工藝，該操作工藝存在耗能高、單批次效率低等不足。連續(xù)化蒸餾技術(shù)可以將降低分餾塔塔底部的溫度，有效防止3,4-二氯苯基異氰酸酯產(chǎn)品的自聚反應(yīng)［7］。3,4-二氯苯基異氰酸酯產(chǎn)品熔點(diǎn)較高(41～43 ℃)，在常溫或餾分量較少的情況會(huì)凝固在冷凝器造成產(chǎn)量的損失，通過(guò)連續(xù)化蒸餾能克服這一缺點(diǎn)。

將3,4-二氯苯基異氰酸酯去溶劑后的粗品液收集至塔釜進(jìn)行連續(xù)化蒸餾。在塔釜安裝液位傳感器，通過(guò)DCS系統(tǒng)控制電信號(hào)的方式對(duì)循環(huán)泵的控制［8］。連續(xù)化蒸餾塔釜液位控制，如圖3所示。

圖3 連續(xù)化蒸餾塔釜液位控制

DCS具體液位控制過(guò)程為：

當(dāng)塔釜中的料液液位L＜Llow，自動(dòng)執(zhí)行DCS控制程序，停止循環(huán)泵的工作，避免料液打空。

通過(guò)DCS系統(tǒng)，可有效提高塔液位和進(jìn)料量運(yùn)行的穩(wěn)定性，在液位串級(jí)的控制中，在塔內(nèi)和排出端口的壓力發(fā)生改變時(shí)，保證流量大小，增加生產(chǎn)中的穩(wěn)定性。同時(shí)也提高了液位串級(jí)控制的準(zhǔn)確性，避免由于生產(chǎn)操作過(guò)程中的不穩(wěn)定或者大的波動(dòng)引發(fā)其他問(wèn)題，甚至損壞設(shè)備，確保生產(chǎn)的安全［9］。采用DCS進(jìn)行控制循環(huán)泵，有效降低人為干擾，提高操作穩(wěn)定性和安全系數(shù)，同時(shí)提高了操作的勞動(dòng)效率和產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2.3 聯(lián)鎖控制的應(yīng)用

在3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)過(guò)程中涉及反應(yīng)釜、真空泵、機(jī)械攪拌電機(jī)、加料閥等設(shè)備，通過(guò)聯(lián)鎖控制來(lái)進(jìn)行保護(hù)。DCS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)釜、機(jī)械攪拌電機(jī)、真空泵等設(shè)備的運(yùn)行情況，保障生產(chǎn)中各設(shè)備能夠處于正常和穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，可將3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)設(shè)備或某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的信息和運(yùn)行參數(shù)，對(duì)技術(shù)革新提供數(shù)據(jù)支撐。在生產(chǎn)工藝中多套設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖控制，由流量聯(lián)鎖和液位聯(lián)鎖所構(gòu)成的，如：當(dāng)反應(yīng)釜或高位罐液位處于設(shè)定值的下限時(shí)，DCS發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)并自動(dòng)觸點(diǎn)啟動(dòng)開關(guān)控制，投入并運(yùn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備；當(dāng)液位處于設(shè)定值的上限時(shí)，DCS會(huì)發(fā)出停止信號(hào)并自動(dòng)觸點(diǎn)斷開開關(guān)，停止電機(jī)的運(yùn)行［10］。

2.4 緊急切斷系統(tǒng)的控制

異氰酸酯類產(chǎn)品、原料和生產(chǎn)工藝通常具有易燃性、刺激性、有毒性和高溫度、高壓力等典型特征。3,4-二氯苯基異氰酸酯工藝中涉及吸熱、放熱反應(yīng)過(guò)程并伴隨氯化氫氣體產(chǎn)生，故在整個(gè)反應(yīng)體系的溫度、壓力等工藝參數(shù)都需進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。隨著產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)，發(fā)生事故的危害愈發(fā)嚴(yán)重。緊急切斷系統(tǒng)能夠有效處理大量的邏輯信號(hào)和邏輯判斷對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)力的提醒和切斷，將故障生產(chǎn)流程的設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)置為臨時(shí)狀態(tài)或停產(chǎn)狀態(tài)，減少體系或設(shè)備發(fā)生異常故障造成的損失［11］。DCS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)即時(shí)控制緊急切斷系統(tǒng)，提供3,4-二氯苯基異氰酸酯生產(chǎn)的安全保障。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著DCS系統(tǒng)發(fā)展的綜合化、工業(yè)PC化、智能化、專業(yè)化等特點(diǎn)［12］。DCS系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)的技術(shù)的升級(jí)改造提供新的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)全面普及基礎(chǔ)技術(shù)、配置設(shè)施、控制器等進(jìn)行統(tǒng)一管理，將其更好地融合在精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)工藝中，提升自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性。提升企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水準(zhǔn)的同時(shí)，能有效降低能源消耗與成本投入，符合當(dāng)下大環(huán)境政策。DCS系統(tǒng)在3,4-二氯苯基異氰酸酯的生產(chǎn)中的應(yīng)用，能有效提升工藝的智能化水平，促進(jìn)其工藝水平的進(jìn)步與發(fā)展。