升溫斜率控制在硝酸成鹽工藝中的應(yīng)用

蔣 濤，羅志會(huì)

(1 中集車輛太字節(jié)汽車車廂科技(鎮(zhèn)江)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2 江蘇耘農(nóng)化工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 基本情況

作者曾服務(wù)的一家化學(xué)合成企業(yè)，期間公司投資新建了一條自動(dòng)化程度較高的農(nóng)用殺菌劑原藥生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)量年產(chǎn)1000噸，生產(chǎn)線部分工段控制采用和利時(shí)DCS+SIS系統(tǒng)，公用工程控制采用西門子S7-300PLC系統(tǒng)，外購(gòu)成套設(shè)備采用西門子S7-200PLC系統(tǒng)，所有成套設(shè)備都加裝EM277通訊模塊，這樣利用profinet-DP通訊協(xié)議將DCS控制系統(tǒng)、公用工程控制系統(tǒng)、成套設(shè)備等連接在一起，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)廠區(qū)的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息互聯(lián)，并集中顯示并控制。工藝、設(shè)備部門的工程技術(shù)人員通過分析控制系統(tǒng)記錄、儲(chǔ)存下來的數(shù)據(jù)，修改工藝參數(shù)、改進(jìn)控制方案等便于更安全高效的生產(chǎn)。

在生產(chǎn)過程中，含有硝酸成鹽工藝。工藝過程是在含量26.1%的含苯有機(jī)物中滴入一定量的硝酸，硝酸泵先將硝酸泵入高位計(jì)量釜，含苯反應(yīng)物泵入低位硝酸成鹽釜(10000 L)，準(zhǔn)備物料的同時(shí)，成鹽釜在夾套中使用冷凍水，將釜溫降至20.0 ℃，一切準(zhǔn)備就緒后開始滴加硝酸。

反應(yīng)釜內(nèi)是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，具有滯后大、非線性嚴(yán)重等特點(diǎn)，因此我們必須實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜溫度的精確控制[1]。最重要的就是控制釜內(nèi)溫度的恒定，這不僅決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也在很大程度上決定了生產(chǎn)過程的安全性[2]。在設(shè)計(jì)硝酸成鹽工序的控制系統(tǒng)時(shí)，常規(guī)的方案是根據(jù)釜內(nèi)溫度控制硝酸滴加氣動(dòng)閥的開度。由于硝酸滴加反應(yīng)既要保證溫度恒定，又需要保證硝酸滴加的速度，符合工藝和生產(chǎn)的要求。因此最適合的控制方案是在硝酸的滴加管道上加裝了滴加氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和微小流量電磁流量計(jì)，通過設(shè)定滴加流量，控制系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算(PID方法是一種基于過程參數(shù)的控制法，其控制原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但在控制對(duì)象非線性時(shí)變、給定突變、大時(shí)滯系統(tǒng)等情況下，過程模型難以確定，參數(shù)調(diào)整往往比較困難，即使可行也因調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)，超調(diào)量過大，使控制效果不佳[3])，控制滴加調(diào)節(jié)閥的開度，從而穩(wěn)定滴加流量。只要冷凍水能夠保證足夠的流量，便可以實(shí)現(xiàn)釜內(nèi)溫度的恒定，這樣既可以滿足生產(chǎn)節(jié)拍，又可以保證系統(tǒng)安全。

在試生產(chǎn)時(shí)，操作工在深夜12點(diǎn)左右開始硝酸成鹽的生產(chǎn)，由于是試生產(chǎn)而且還是夜班，為確保安全，現(xiàn)場(chǎng)的工藝、設(shè)備人員調(diào)低了控制系統(tǒng)部分參數(shù)值上限，如成鹽釜停止滴加硝酸的溫度上限調(diào)整到35 ℃(工藝要求不超過40 ℃即可)，硝酸瞬時(shí)滴加流量控制在0.1 m3/h(工藝要求瞬時(shí)流量為0.2 m3/h),見圖1。

圖1 瞬時(shí)流量控制圖

從圖1中可以看出，滴加調(diào)節(jié)閥很好的執(zhí)行了指令，流量反饋非常平穩(wěn)，完全符合工藝要求，將硝酸滴加流量控制在要求范圍內(nèi)，與此同時(shí)釜內(nèi)溫度從20 ℃開始逐漸上升(圖2)。

圖2 溫度曲線圖

由于滴加流量穩(wěn)定，溫度上升非常緩慢，在0：15-2：15的時(shí)間里一切正常，所有的參數(shù)都控制在要求范圍之內(nèi)，反應(yīng)釜的溫度從20 ℃上升到29.3 ℃，遠(yuǎn)低于操作規(guī)程里規(guī)定的值，按照此流量，還有1 h就將完成滴加，這時(shí)卻出現(xiàn)了意外情況。到了2點(diǎn)20分，突然出現(xiàn)溫度急劇上升的現(xiàn)象(圖3)。

圖3 溫度急劇上升圖

在12分鐘的時(shí)間里，反應(yīng)釜的溫度從32.6 ℃上升到 38.6 ℃，超過了控制系統(tǒng)設(shè)置的35 ℃，這時(shí)控制系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)。圖4中可以看到，控制系統(tǒng)在2點(diǎn)30分，硝酸滴加流量為零，說明系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)關(guān)閉了滴加硝酸的調(diào)節(jié)閥。

圖4 停止滴加硝酸的流量記錄

同時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，操作人員加大了冷凍水流量，可反應(yīng)釜的溫度依然上升了3 min左右直到39 ℃才終止(圖5)。

圖5 停加硝酸后溫度上升圖

2 分析與討論

根據(jù)圖5溫度曲線，在工藝流量穩(wěn)定的情況下，溫度為什么還會(huì)突然上升。有研究表明：在聚丙烯裝置異常工況早期預(yù)警案例分析中，以聚合釜升溫過程中上溫為目標(biāo)參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)上溫變化趨勢(shì)，識(shí)別間歇過程工況，并且在上溫升溫速率過快但溫度未超出分布式控制系統(tǒng)(Distributed control system，DCS)閥值時(shí)發(fā)出報(bào)警[4]。受此啟發(fā)，同時(shí)為了避免再次發(fā)生，我們仔細(xì)分析了反應(yīng)釜溫度的歷史數(shù)據(jù)曲線，并把它分為兩階段，第一階段是開始滴加到急速升溫之前，也就是0點(diǎn)30分至2點(diǎn)15分，這段時(shí)間溫度上升了9.7 ℃，計(jì)算出溫升斜率為0.101。第二階段是2點(diǎn)21分至2點(diǎn)33分，這段時(shí)間溫度上升了6 ℃，計(jì)算出溫升斜率為0.5。我們繪制了此次滴加反應(yīng)的斜率圖(圖6)，圖中斜率突然呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。

圖6 溫升斜率圖

我們分析有三個(gè)可能的原因，一是滴加反應(yīng)的特性，根據(jù)查閱的資料，其反應(yīng)速率和溫度關(guān)系見圖7，兩者比較可以看出硝酸滴加反應(yīng)的溫度曲線類型應(yīng)該是介于第一類和第二類之間，我們更偏向第二類，及反應(yīng)溫度到達(dá)一定時(shí)，反應(yīng)速率會(huì)以爆炸級(jí)上漲。二是反應(yīng)釜容積較大，采用常規(guī)攪拌可能效果不均勻，存在局部溫度高于測(cè)量值的情況。三是采用全封閉搪瓷套管加導(dǎo)熱油間接測(cè)量的測(cè)溫方式存在時(shí)間滯后。因此一旦溫度達(dá)到臨界值，冷卻裝置起不到任何作用。

圖7 滴加反應(yīng)溫升類型

3 改進(jìn)措施

首先，徹底否定了工藝人員提出的用反應(yīng)釜溫度和滴加閥門進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)的方案。其次需要完善現(xiàn)有檢測(cè)和控制方案，增加提前預(yù)警。最后必須驗(yàn)證反應(yīng)釜的攪拌形式和冷卻效果，避免出現(xiàn)局部可能會(huì)存在攪拌不均勻而從導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)溫度有差異的情況。

因此從控制上，我們采用檢測(cè)滴加流量和滴加閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，穩(wěn)定滴加流量的控制方案(冷凍水閥門為手動(dòng)閥門，未采用串級(jí)控制)。其次一定要保證冷卻效果，在系統(tǒng)中增加了冷卻水電機(jī)變頻器的運(yùn)行信號(hào)，增加了冷卻水管道流量檢測(cè)信號(hào)，并和滴加閥門進(jìn)行關(guān)聯(lián)，流量開關(guān)檢測(cè)不到冷卻水流量、冷卻水變頻器丟失運(yùn)行信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)立即關(guān)閉滴加閥門。再次更換了測(cè)溫元件，其采用Hastelloy C-4合金鋼保護(hù)套的測(cè)溫元件直接和反應(yīng)釜物料接觸，消除了檢測(cè)時(shí)間滯后。特別適應(yīng)于對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)物料反應(yīng)溫度需要精確控制的溫度檢測(cè)[5]。

最關(guān)鍵的是我們采用了檢測(cè)溫升斜率的辦法用于預(yù)警并切斷滴加閥門。具體是在反應(yīng)釜進(jìn)行滴加反應(yīng)時(shí)，利用控制編寫溫升斜率檢測(cè)程序，只要每分鐘溫度上升的斜率加大(每分鐘比較一次溫度，計(jì)算出斜率后，和前一分鐘的溫升斜率進(jìn)行比較，如果斜率差大于0.07時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)減少一半的硝酸滴加流量。當(dāng)斜率差達(dá)到0.1時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并暫停硝酸滴加，此時(shí)結(jié)合溫度高限報(bào)警，可以大大提高硝酸滴加反應(yīng)的安全性。公司在使用了經(jīng)過改進(jìn)的控制方案后，再未出現(xiàn)類似現(xiàn)象，安全性得到極大提升。此控制方案適用于所有滴加放熱反應(yīng)。