（化学工程专业论文）丙烯腈装置自动控制系统及优化.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 吉化集团公司丙烯腈装置始建于1 9 9 5 年，在1 9 9 7 年l o 月正式投产，年产6 6 万吨 为当时最大的丙烯腈装置，经过两次扩容改造达到年产1 0 、6 万吨，目前也是国内生产能 力最大的单套装置。该装置采用丙烯氨氧化法一s o h i o 法生产丙烯腈的先进工艺技术，控 制系统采用美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司生产的p r o v o xd c s ，该系统在当时是比 较先进、稳定的系统，在石化行业应用得较为广泛。 本文针对丙烯腈装置控制调节回路p i d 参数采用经验法设置数据，控制调节回路投 自动后出现偏差时响应慢不稳定问题，提出了采用i m c - p i d 软件计算p i d 参数数据方 法。该方法从d c s 中采集实时数据，在d c s 工程师站中，用c 语言进行开发；采集到 所要求的数据后转换成i m c p l d 软件要求的输入数据格式，运行i m c p i d 软件得到p i d 参数，然后输入到d c s 中，把调节回路改为自动方式进行试验，反复计算调试几次直 到满意为止。p i d 参数调整后调节回路能快速响应调节偏差，减少震荡次数。另外对一 些重要调节回路根据实际运行情况做了一些优化处理。 通过建立小型局域网，使用m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 3 软件进一步开发了实时 监控软件i n s p e c t ，实现了远程以几种不同方式对装置仪表参数进行监控和分析数据的录 入功能，不用给操作工送分析报考单，直接从网络上传递。车间管理人员在办公室就可 以看到生产装置运行情况，还有利于车间对操作人员的考核管理。当工厂局域网建成后 可接入工厂网络中，甚至可连接到互连网上，拓展了d c s 的体系结构。 从实际运行效果看，调节回路p i d 参数的整定优化对简单调节回路是非常有效的， 但对串级复杂调节回路方面效果不明显。远程监控管理功能的开发非常实用，得到车间 管理人员好评，给丙烯腈生产行业以及石油化工行业控制管理方案设计和实簏提供有力 的参考借鉴，同时也给使用p r o v o xd c s 系统的应用单位进行控制优化和实现管控一 体化提供了一种实现方案。 关键词：丙烯腈；控制：优化 a b s t r a c t t h ea c r y l o n i t r i l ep l a n to fj i h u ag r o u pc o r p o r a t i o nw a sb u i i ti n1 9 9 5 ， a n di tb e g a nt op r o d u c ei no c t o b e r ，1 9 9 7 i tw a sa b l et op r o d u c e6 ，6 0 0 0 t o na c r y l o n i t r i l ee v e r yy e a ra st h eb i g g e s ta c r y l o n i t r i l ep l a n ti nc h i n a i tc a np r o d u c ei 0 ，6 0 0 0t o na c r y l o n i t r i l en o wa f t e rt w i c ea l t e r a t i o n t h e p l a n ta d o p ts o h i om e t h o d ( p r o p y l e n ea n d a m n o n i ao x i d a t i o n ) i tu s ep r o v o x d c so ff i s l i e r r o s e m o u n tc o t oe o n t r 0 1f i e l dd e v i c e t h ed c si so n eo f t h em o s ta d v a n c e t h em o s tc r e d i b i l i t ya n dt h em o s tc o m p l i c a t e d i tw a s w i d e l ya p p l i e di np e t r o l e u ma n dc h e m i s t r yp l a n t m a n yc o n t r o ll o o p s o ft h ea c r y l o n i t r 订ep l a n tc a n tq u i c k l yr e s p o n s e t ob i a se r r o ri na u t o m a t i cm o d eb e c a u s ep i dp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o ll o o p s w e r eg a v e di ne x p e r i e n c e t h ep a p e rt o l dam e t h o df o ro p t i m i z i n gp i n c o n t r o ll o o p ，w h i c hm o d i f yp i dp a r a m e t e r so fc o n t r o ll o o pu s i n gt h o s e r e s u l tt h o u g h ti m c p i ns o f t w a r er u n n i n g t h em e t h o dd e m a n dc o ll e c t i n g r e a lt i m ed a t af r o md c s t h ec o l l e c t i n gp r o g r a mo ft h i sp a p e rw a sb u i i t i nca d v a n c ep r o g r a ml a n g u a g ei ne n g i n e e rs t a t i o n t h ec o ll e c t i n gd a t a f i l ew a sc o n v e r t e dn e wf o r m a tf i l et h a ti 矾c p i ds o f t w a r er e q u i r e s t h e n t h er e s u l to fr u n n i n gi m c p i ns o f t w a r eu s i n gt h en e wf o r m a tf i1 ew a s i n p u t t e dt od c s y o uc a nc h a n g ec o n t r o ll o o pm o d ef r o mm a n u a lt oa u t o m a t i c t oa d j u s te f f e c t y o uc a nd os or e p e a t l ya n t i ly o uf e e ls a t i s f a c t i o na t t h ec o n t r o ll o o p a f t e rm o d i f y i n gt h e s ep a r a m e t e r s ，t h o s ec o n t r o ll o o p c a nq u i c k l yr e s p o n s et ob i a se r r o ra n dr e d u c es u r g ef r e q u e n c e o t h e r w i s e w ea l s ou s eo t h e ro p t i m i z i n gm e t h o dt os o m ek e yc o n t r o ll o o pb yt h ef a c t i t s e l f w eh a v eb u i l tal o c a la r e an e t w o r ka n dh a v ed e s i g n e d i n s p e c t ” s u r v e i l l a n c es o f t w a r ei nm i c r o s o f ty i s u a s t u d i o n e t2 0 0 3t 0 0 1s o f t w a r e i th a v et h o s ef u n c t i o nt h a tw a t c hf i e l di n s t r u m e n td a t aa n di n p u t a n a l y z i n gr e s u l td a t a t h ea n a l y z i n gr e p o r tw a st r a n s f e r r e dt oo p e r a t o r t h o u g h tn e t w o r k t h ep l a n tm a n a g e rc a nk n o wt h ep l a n tr u n n i n gs t a t u sa t h i so f f i c e a n dt h em a n a g e rc a na s s e s so p e r a t o r s e f f o r t sb yu s i n gt h o s e f u c t i o n w ec a nc o n n e c tt of a c t o r yl o c a la r e an e t w o r ko ri n t e r n e ta n d e x t e n dd c sh i b e r a r c h y f r o mt h ea c t u a lr u n n i n gr e s u l t ，t h i sm e t h o dt h a ta d j u s tp i dp a r a m e t e r s i sg o o df o rs i n g l el o o p ，a n di t sf u n c t i o ni s n to b v i o u st oc a s c a d ea n d c o m p l i c a t e dl o o p t h ep l a n tm a n a q g e rf e e ls a t i s f a c t i o na tt h er e a l i z a t i o n o fr e m o t es u r v e i l l a n c ea n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s t h i sp a p e rp r o v i d es o m e r e f e r e n c et op r o d u c i n ga c r y l o n i t r i l ef a c t o r y ，p e t r o l e u mc h e m i c a lc o m p a n y a n dt h o s ep l a n tt h a tu s e dp r o v o xd c s k e y w o r d s ：a c r y l o n i t ril e ：c a t a l y s t ：d c s ；o p t i m i z e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 垡塑一日期：2 q q 5 生1 2 旦! ! 目 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 狸丝竺 导师签名：圣壁塑 丝芝年上月幽 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 l 绪论 1 1d c s 的应用现状和发展趋势 随着科学技术的高速发展，特别是集成电路、计算机、通讯技术的发展，以 及工业生产规模的不断扩大和对生产效率不断提高的要求，在很多大型的连续化 生产中，需要处理的已不只是单参数系统。以模拟仪表为主的调节系统已不能充 分满足生产需要，这就使以近代控制理论为依托的集散控制系统得以迅猛发展和 广泛应用。从上个世纪9 0 年代开始，几乎所有新建石油化工装置都采用d c s 代 替盘装和架装三型仪表进行集中监视和控制。它的稳定性、方便性、功能齐全等 特点得到普遍认可，使d c s 的发展和应用掀起一个高潮。 1 1 1 集散控制系统基本概念和体系结构 1 1 1 1 集散控制系统的基本概念 集散控制系统又称分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 简称d c s ， 它是按功能分散、管理集中的原则构思，以微处理器、微型计算机技术为核心的， 基于计算机技术、控制技术、通讯技术和c r t 图像显示技术而发展起来的一种 综合性计算机控制系统。一般由现场站、操作站、数据通道及工程师站几部分组 成，可以归纳为“三点一线”式结构。 1 1 1 2 d c s 的体系结构 d c s ( 集散控制系统) 的体系结构，一般采用分层递接结构，将d c s 与通 用计算机。起组成管理控制一体化系统。一般将d c s 分成四层结构，即直接控 制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级。一般企业目前应用中只有控制级 和过程管理级两层结构。生产管理级和经营管理级还没有得到广泛应用，还有待 进一步开发。 1 ，1 2 d c s 的现状 自从1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出世界上第一套d c s 系统 - - t d c 2 0 0 0 以来，d c s 走过了3 0 年的历程。三十年来，d c s 以其高性能、高 可靠性、结构合理、应用灵活方便等优点被所有的1 ：业用户接受，这就使得世界 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 上很多厂家迈进这个领域，推出了许多优秀的d c s 系统，并不断升级完善。上 世纪9 0 年代以后d c s 市场可谓百家争鸣，目前流行的就有h o n e y w e l l 公司 的t p s 和p k s ，f i s h e r - r o s e m o u n t 公司的p r o v o x 、d e l t v ，横河的 c s 3 0 0 0 ，b a i l e y 公司的i n f i 9 0 等。这些系统被广泛应用到石油、化工、电 力、冶金、制药、造纸、建材等行业之中，受到致好评。我国的d c s 产业虽 然比较落后，但到上世纪9 0 年代以后也有比较成型的系统出现，如和利时公司 的h s 2 0 0 0 ，以其结构简单合理，安全可靠及其语言、价格优势，在国内占有很 大的市场。在这激烈的市场竞争中，各公司都在紧锣密鼓，加速开发，升级开始 加快，逐步丰富和完善各自的系统，以满用户的各种需求，提高市场竞争力。工 业p c 机( 口c ) 的出现，使d c s 市场竞争空前激烈，新技术的不断发展和应用， 也推动了d c s 进一步发展，使它逐步发展、成熟和壮大。 1 1 3 d c s 的发展趋势 上世纪9 0 年代以后d c s 的特点之一就是它的开放性。开放化、标准化也是 今后d c s 的发展趋势。开放式d c s 采用国际工业标准，通过通信标准化、接口 标准化，硬件、软件产品模块化，操作系统标准化，产品系列化，人机界面规范 化，使系统可与工厂现有或即将投入生产的控制系统通信，使各种不同的相对独 立的自动化单元包括p l c 高速总线网能相互连接，实现最佳效益，完成系统的 开放、容纳，并可实现测量、控制和管理的集成。d c s 中所使用的设备将趋于 通用的产品，专用的产品越来越少，特别是计算机和网络。高性能的工业p c 、 工作站将被大量采用，通用网络产品也将逐步淘汰专用网络，网络通信规约逐步 向得到普遍承认的标准靠拢，以系统集成的方式构成应用系统的方法己得到越来 越多的应用。 引入工业p c 机作为操作员站和工程师站。由于i p c 的开放式结构，丰富的 硬件、软件资源，数以千计的i o 扩展槽，方便的联网功能和极高的性能价格比， 特别为广大工程技术人员所熟悉和支持，得到广大d c s 厂家和用户的青睐，特 别是w i n d o w s 软件的成熟使得：j ：业p c 机成为d c s 操作员站很好的选择，并 且其应用和发展势头，引人瞩目现已逐步取代了专用性操作站。 引入现场总线，更加体现功能的分散性，实现测量与控制的集成。智能仪表、 智能电子设备及现场总线技术被大量采用，d c s 的体系结构进一步走向分散化， 直接数字控制将深入到每个控制围路和现场设备。因此现场总线网络的发展成 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 为各厂家注目的焦点。出现了一些现场总线标准协议，并且现在多数d c s 已支 持现场总线方式。为了提高市场的竞争能力，电控、仪表和计算机厂家开始相互 联合兼并，相互取长补短，形成强大的集团公司。如a b b 、b a i l e y 公司的联 合。 生产控制与管理集成。目前大部分企业d c s 只是单独用于生产控制，没有 管理功能，也就是在分层体系结构中，只是两级系统，可以运用国际通信网络标 准，在现有集散控制系统的基础上向纵、横向扩展，实现控制和管理的集成。充 分体现信息时代的特点。 目前d c s 系统不是做得越大越好。现在已开始向小型化发展的趋势，并且 逐渐引入多媒体技术，不仅有价格优势，还有技术优势，画出的工艺流程、统计 图形已有三维空间的特色，再加入语音报警系统，使人们充分感受到艺术的魅力。 近年来d c s 系统不仅在硬件方面得到飞速发展，软件方面，新风格的软件不断 出现，由于w i n d o w s 软件有丰富美观的图形界面，可实现多窗口操作，工程 人员熟悉容易掌握，因此很多公司相继推出基于w i n d o w s 的工控软件。 综上所述，d c s 系统受到仪表、自动化技术、计算机技术、通讯技术、显 示技术、多媒体技术、网络技术、数据库技术、软件设计技术等多方面的影响。 任何一种技术的发展，都有可能带来d c s 系统的飞跃，但大体上发展趋势为开 放性、分散性和智能化，系统构成的多样化、综合自动化以及小型化。o p c 技 术己在d c s 中开始得到应用，为管理网络的建立提供方面之门。 网络化的普及、p c 机价格的下降和运算速度的提高，使p c 已普及到企业 的各部门，有的己建立工厂局域网，这也使工厂对d c s 与工厂网络连接有了新 的需求，使1 = = 厂管理上了新的台阶。 1 2 丙烯腈生产状况 近年来丙烯腈生产技术的改进主要集中在新型催化剂开发、流化床反应器改 进及降耗研究上。催化剂是丙烯腈生产中的关键，提高催化剂活性，以最终提高 丙烯腈收率，是催化剂研究的目标。1 9 9 3 年 ：业化的c 4 9 m c 催化剂，丙烯腈 收率达7 9 - 8 0 ；国产的m b 一8 6 催化剂已经与c 4 9 m c 催化剂相当；上海石化 院新近研制的m b 一9 6 ( a ) 催化剂能在高压、高负荷的特殊条件下使用，丙烯腈 收率达于8 0 ；a 0 5 型低氧比催化剂性能稳定，重复性好，其性能达到先进水平。 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 近年s t a n d a r do i l 公司称其研制的金属氧化物催化剂，丙烯腈收率可达到8 0 2 ； 日本旭化成公司在专利中透漏，其研制的金属氧化物催化剂，丙烯腈收率可达到 8 4 3 。流化床反应器的改进主要集中在气体分布器、旋风分离器及催化剂补加 方式上。降耗研究上一方面通过研制高效催化剂来提高丙烯腈的反应收率；另一 方面通过改进反应后续过程的工艺及操作条件来提高回收过程的丙烯腈收率。 通过对吉化集团公司丙烯腈厂的第一套丙烯腈装置生产情况的分析，可以初 步确定，造成丙烯消耗偏高的原因：一是反应阶段丙烯腈收率偏低；二是后续回 收工序丙烯腈收率偏低。 提出措施有： 夺优化反应器进料氨烯比，减少产物中氨的含量。 夺改善急冷塔气液接触状态，提高中和吸收效果； 夺优化急冷塔上段p h 值； 夺优化大循环p h 值；为有效脱除反应气中丙烯醛及丙酮，使其与氢氰酸生成 的氰醇比较稳定( 氰醇沸点高，易从塔釜排出) ，生产中通过加入碳酸钠控制大 循环p h 值来实现。 夺优化吸收塔操作，降低吸收塔塔顶排空过程丙烯腈损失。 夺优化调节控制回路，保证控制指标。 针对提出的措旋，工厂决定从两方面入手，一是从工艺入手，主抓控制指标； 二是从控制方案入手，投用三进料自动比值调节，优化调节回路，使各调节回路 可以投自动，且偏差较小。 1 3 丙烯腈生产控制存在问题和改造采取方法 三进料复杂调节系统投用不上，更换催化剂后比值系数变化，原设计不灵活， 改造成变比值系数。补加催化剂系统连续累加过多，改造可调时问常数。串级调 节网路不能投用，对p 1 d 采用软件计算得到整定值，对副环波动较大的对调节阀 采用限幅或设定值进行限幅。有些简单回路投用效果不好，不能很好地长时间保 持工艺控制指标，使用i m c p 1 d 整定软件得到整定参数，修改运行中的p i e ) 参 数。生产记录、报表还采用传统的手写送达方式，管理人员必须到现场才能看到 生产实际运行情况，通过数据采集程序，与工厂管理网连接，实现远程监控，自 动生成报表记录。 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 1 4 研究内容及要解决的问题 通过对丙烯腈装置生产状况和d c s 自动控制领域发展趋势的调研，认为丙 烯腈装置是具有高压、高温及巨毒特点的化工生产装置。d c s 自动化控制的稳 定性和先进性在装置关键控制环节中充分发挥了作用，但经过多年的运行，还有 许多内容需要进步完善，要适应科技发展的形势就必须全面提高装置自动化控 制水平。高水平的d c s 自动化控制，为装置的安全生产提供可靠保障，使装置 实现长周期安全稳定运行，在提高产品收率和节能降耗方面都发挥了巨大作用， 全面提高装置的生产效益和工厂的生产管理水平，使装置在同行业竞争中取得优 势地位。为达到以上目标确定一方面从装置自动控制实现入手查找问题、不足与 差距，然后寻求定的方法措旋进行控制优化，使生产控制指标能很好的执行， 达到提质降耗的目的；另一方面通过对现场生产数据的采集分析利用，提高；1 5j 生产管理水平，最后通过努力真正实现管控一体化目标。本课题的研究开发主要 利用d c s 技术结合装置实际，全面核定原装置自动化控制原理，确定优化的理 论可行性和装置的可操作性。 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 2 丙烯腈生产工艺 2 1 工业生产方法 2 1 1 丙烯腈理化性质及用途 丙烯腈是一种重要的有机化工原料，在常温下为无色透明的有毒液体，具有 特殊的芳香气味。丙烯腈气体与空气混合可形成爆炸性混合物，它能与水、苯、 四氯化碳、异丙醇等有机物形成共沸物。丙烯腈分子中因含有炭双键和炭氮三键 两个不饱和键，使其化学性质非常活泼，容易发生加成、水解、聚合、醇解等化 学反应。丙烯腈主要用作制造合成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分子材料的共 聚单体，它有着广阔的应用前景。 2 1 2 丙烯腈生产方法 1 9 6 0 年美国的标准石油公司开发并发展了丙烯氨氧化法( s o h i o 法) 生产丙烯 腈的工艺技术，目前世界上丙烯腈总产量的9 0 以上均采用s o h i o 法的流化床工 艺法进行生产。该法以丙烯、氨和空气为原料，以1 o ：1 2 ：1 0 ( 摩尔比) 、4 0 0 - 5 0 0 。c 、 o0 3 4 - - , 0 2 m p a 的条件下，在流化床内进行反应。反应放出的热量用于产生高压蒸 汽，未反应的氨在中和塔中被移出，主副产物在吸收塔内被吸收，最后通过精制 得到主副产品。 2 2 催化剂 2 2 1 催化剂概念 所谓的催化剂就是能够改变化学反应的速度，对化学反应起催化作用，而本 身的结构、性质和化学组成在化学反应前后没有发生变化。 2 2 2 丙烯氨氧化反应使用催化剂种类 丙烯氨氧化反应的催化剂种类很多，根据催化剂的组成可分为四类： 第一类：钼酸铋系列；第二类：钼酸盐系列；第三类：杂多酸系列；第四类：含 锑催化剂系列。所采用的c 一4 9 属于钼酸铋系列。 丙烯腈装置自动控制系统觌及优化 2 2 3 活性和转化率 活性是表示催化剂性能好坏的重要指标，活性的好与差，用原料的转化率表 示。就是在规定的条件下，对一定量的催化剂单位时间丙烯转化的百分数，转化 率高，表示活性好，否则活性差。本装置采用c - - 4 9 催化剂的丙烯转化率为9 7 5 ， 其物质转化率计算式为： 某物质的转化率= 垄差笑差差篓鬟蓑甏需呈筹x 1 0 0 2 2 4 催化剂选择性 在同时能发生许多化学反应的情况下，催化剂对所希望的主反应加速的能力 称为催化剂的选择性。它是衡量催岱剂性能的主要指标之一。 选择性= 华猫筹枷。及应捭的原料量 c 一4 9 催化剂对丙烯腈的选择性为7 7 。 2 2 5 单程收率 产品的单程收率= 笔裟蒜黧篇熹筹枷蝴 单程收率= 原料的转化率x 选择性 2 3 工艺流程简图 7 图2 1 工艺流程图1 图2 2 工艺流程图2 2 2p r o c e s sf l o wc h a r t2 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 2 。4 工艺流程概述 原料丙烯、氨经蒸发、过热、混合通过分布器入反应器r 一8 1 0 1 ，原料空气 经过滤经空压机c 8 1 0 1 进入反应器锥底，三种原料在反应器底层中的催化剂的 作用下进行氧化反应。反应尾气经过旋风分离器，在捕集夹带的催化剂的粉尘后 进入反应气体冷却器e 一8 1 0 2 ，用水冷却，然后进入急冷塔t 8 1 0 1 ( 也称氨中和 塔) 。丙烯、氨、氧在反应的同时，放出大量的热，这些热量可以维持反应继续 进行，多余的热量通过垂直安装在反应器内的冷却水盘管移去，产生高压蒸汽。 反应器温度的控制是通过增加或减少饱和蒸汽盘管的数量，或调节反应器的进料 量来实现的。蒸汽盘管中所用的水来自冷凝液和锅炉v 8 1 0 4 补充水。产生高压 蒸汽作为空压机的动力。 反应气体中包括未反应的氨、丙烯和氧气、氮气和反应生成的丙烯腈、乙腈、 氢化氰、二氧化碳、一氧化碳、水及少量的其它物质。从反应器出来的气体，在 急冷塔的下段被绝热冷却。未反应的氨与加到急冷塔上段循环水中的硫酸反应生 成硫铵，除去多余的这部分游离氨。四效蒸发器底部物料和脱氢氰酸塔分层器的 水相被引入急冷塔的下段，部分气化，其余部分送往焚烧炉处理。这股物料中含 有水、氰化物、重有机物和少量从反应器夹带出来的催化剂。从急冷塔上段出来 的硫铵溶液通过调节四效蒸发器顶部的凝液量，浓度通常控制在2 2 ( 重量) 。 它被送到上段汽提罐v 8 11 8 a b 以回收轻的有机物，然后送到硫铵回收系统。 从急冷塔出来的气体在急冷塔后冷器中进一步冷却。然后进入吸收塔 t 一8 1 0 3 ，在此，由降下的水吸收逆流向上的反应气体中可溶解的产物。未吸收的 气流含有未反应的烃类和氧、氮、一氧化碳、水及少量的丙烯腈。这股气流通过 吸收塔的放空烟囱排入大气或送到焚烧炉。来自急冷塔后冷器的冷凝液送到吸收 塔去回收丙烯腈和其它有机物。 来自吸收塔塔釜的液体( 含丙烯腈、乙腈、氢氰酸及少量的聚合物，微量的 各种有机物，以及惰性组分的稀溶液) 。在热交换之后进入回收塔，利用水作为 溶剂进行萃取精馏。由于丙烯腈和水形成共沸物从塔顶蒸出，这就把丙烯腈和乙 腈分离开了。塔顶产品被回收塔分层器分层。含有丙烯腈、氢氰酸和少量水的有 机层用泵送至脱氢氰酸塔。水层返回回收塔进料。 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 乙腈在回收塔t 8 1 0 4 的底段经汽提作为气相侧线抽出，送到乙腈塔t - 8 1 1 0 。 乙腈、水和少量的氰化氢及丙烯腈从塔顶出来并送到乙腈精制系统或废水处理系 统。塔釜液返回到回收塔。 从回收塔第一块塔盘侧线抽出的液体，作为吸收塔所需的贫水和回收塔的溶 剂水。回收塔塔釜液送到四效蒸发器，在蒸发器中约一半的釜液被气化。其冷凝 液用作急冷塔上段的补加水，以控制硫铵的浓度。多余的冷凝液送到轻组分汽提 塔以脱除微量的游离氨和氢氰酸，轻组分汽提液一部分作为泵的密封水。多余的 用过氧化氢进行处理，以便在生化处理之前除掉微量的氰化物。 含有回收塔釜液中的全部聚合物的蒸发器底部残液被送到急冷塔的下段，用 来绝热冷却反应气体。未蒸发的剩余水、聚合物和催化剂粉末一起，用泵送到催 化剂沉降槽，然后送到焚烧炉处理。 来自回收塔分层器的顶部有机物用泵送到脱氢氰酸塔t 一8 1 0 6 ，该塔在真空 下操作。上部用来脱除丙烯腈中的氢氰酸，下段用来脱水。 进料在该塔的上部，作为塔顶气相产品离开该塔的氢氰酸被冷凝，然后送出 装置回收或焚烧。部分冷凝液作为回流返回到塔的顶部。 从脱氰塔第2 1 块塔盘抽出全部液体。这股液流通过一台换热器，一台冷却 器，然后送到分层器，在分层器中产生相分离。分层器的水相一般用泵送到急冷 塔或回收塔去回收有机物。有机相返回到该塔的底部，脱氰塔釜液作为真空下操 作的成品塔进料。 在成品塔中，从侧线采出液相丙烯腈产品，经冷却后送至成品中问槽，含有 丙烯腈和微量轻有机物的少量塔顶馏出物部分返回到回收塔进料，大部分作为回 流。 成品塔塔釜液含有丙烯腈和聚合物，用泵送到急冷塔或回收塔。丙烯腈和水 在这些塔中形成共沸物而被进一步回收。 3 自控系统实现 3 1 自控系统构成 本装置采用美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司生产的p r o v o xd c s 系统， 对整个装置进行集中监视控制。操作系统采用o p e n v m s7 1 组态软件使用 e n v o x4 0 、c h i p4 0 ，数据库使用s y b a s e1 0 0 。操作软件使用o w p1 3 。 系统构成如图。 园国圄圜 3 2 重要调节回路 图3 1 系统结构图 f 迳3 ，1p r o v o xs y s t e ma r c h i t e c t u r e 3 2 1v 一1 0 4 ( 蒸汽发生器) 三冲量调节 ( 使用条件：要求f t l l1 5 汽包给水及f t - i1 1 6 蒸汽外送的流量的测量值，必须 有相同的测量范围及单位) 该回路是一个汽包液位( v - 1 0 4 ) 的三冲量调节回路，具有前馈的特性，从 回路构成来看，液位l c l1 0 2 ，蒸汽流量f r - il1 6 与汽包供水f c - i1 1 5 构成一个 前馈一串级复合调节，主调是l c i1 0 2 ，副调是f c l l1 5 ，即主调发出的输出信 号是副调的给定值，蒸汽流量的变化皴l c - i1 0 2 的输出补偿( f c 。1 l1 5 调节的给 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 定值s p 是l c 1 1 0 2 的输出信号与f r - 1 1 1 6 的测量值p v 乘以系数o 1 之和) 使 供水调节阀按此变化去调整。 另外，当液位l c 1 0 2 变化时蒸汽流量f r - 1 1 1 6 也随之变化，但是其变化 方向与液位相反。即液位增加、流量减少，将蒸汽流量的变化做为液位的输出补 偿、除了具有前馈作用之外、更重要的是为了防止假液位”现象，因而就避免了 供水调节阀的波动。 “假液位”现象，是指汽包的外送蒸汽量，由于某种原因，突然的剧烈增加， 使得汽包内的压力瞬间降低许多。引起水体发生沸腾汽泡上升，而液位变送器测 得的参数是上升的，调节器发出的却是减少供水的信号。因此必须严格控制“假 液位”现象的发生。 只有当供水流量f c 一1 1 1 5 的给定值s p 是由液位l c 1 1 0 2 及蒸汽f r - 1 1 1 6 的 前馈信号之和，当合成的输出信号变化时、供水调节f c - 1 1 1 5 的给定值s p 随其 变化，这样即防止了“假液位”造成的误动作，又克服了给水流量的波动从而使汽 包液位处于稳定的状态。 在d c s 中组态两个单回路p i d 调节系统f c 1 11 5 和l c 一11 0 2 ，在f c 11 1 5 回 路中s p 设为o u t p u t ：l c 一11 0 2 ，前馈回路为f r - 11 1 6 ，前馈比例为01 ，这样就 实现了三冲量调节系统，投用时，l c 1 1 0 2 投到自动，f c 1 1 1 5 投到串级。 此回路的调优主要调整前馈参数的比值系数和比例、积分参数。 3 2 2r - 1 0 1 反应器三进料控制回路 r - 1 0 1 反应器三进料控制系统使用条件：就整个回路而言，它是一个微调回 路，只有当撤热水管带走的热量与反应放出的热量基本平衡时，即，反应温度波 动范围不超过给定值的士5 ，才能投用此控制回路。 系统组成：该回路实际上是以r 。1 0 1 的床层温度t c 一11 0 3 为主环，丙烯进料 f c 一1 1 0 1 调节为副环的串级回路，以丙烯流量f t 1 1 0 l 为基准的丙烯、氨、空气 ( c5 、n h 3 、a j r ) 进料比值调节回路，以及对这三种进料的温度，压力补偿回 路构成。 回路说明：在此回路中，主环是一定值调节回路，t c ，1 1 0 3 是主调节，副环 是随动回路，f c 一】1 0 1 是副调节，具体动作如下：主调节根据反应温度的变化， 不断调整副调的给定值，使副环回路自动适应反应温度的变化，同时，副调也随 时调整自己的流量值。 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 首先，根据常数设定单元c 3 v a l u e 丙烯目标值，c 3 p u r e 丙烯纯度，使用 计算机键盘输入其数值，计算出丙烯的目标值，通过目标流量+ 1 0 0 + 士5 ，也就 是计算出f x - 1 1 0 1 a 、f x 一1 1 0 1 b ，对丙烯流量的设定值进行钳位，就是对床层温 度t c 一11 0 3 的输出值，就是使t c l1 0 3 的输出在士5 范围波动，亦就是使f c 11 0 1 的设定值在士5 范围内变化。 当床层温度t e 一11 0 3 变化时，使f c 11 0 1 的给定值变化，从而使f v 11 0 1 调节阀阀位再度变化，则使丙烯流量f e 1 1 0 1 检测参数变化。进入反应器r 一1 0 1 的丙烯量变化，使床层温度变化到给定范围之内，使f c 一11 0 3 输出保持在某数 值。 变化的f x 。1 1 0 1 丙烯流量，送入运算器f f 一1 1 0 3 ，f f 一1 1 0 2 与c 3 p 【疆丙烯 纯度相乘，作为氨流量调节f c 一11 0 2 ，空气流量调节f c 一11 0 3 的外给定值s p ， 由于，给定值s p 值的变化，使f c 1 1 0 2 ，f c 1 1 0 3 调节的操作输出变化，最终， 通过调节阀f v 一11 0 2 、f v - 11 0 3 改变氨和空气流量，以适应t c 一11 0 3 的变化。反 应物料的增加或者减少，使得反应放热量的增加或减少，最终，达到的反应器床 层温度的升高或者降低，使床层温度趋于平衡，达到了控制温度的目的。 床层温度是由两组温度测量参数求和计算出其平均值 t y 一1 1 2 2 = ( t e 一1 1 2 2 7 e 1 1 2 6 ) 5 t y 一1 1 2 7 = ( t e 一1 1 2 7 z e 一1 1 3 1 ) 5 通过切换单元t s 一1 1 0 3 切换，使用一个开关量来实现其功能，确定使用那个 平均值作为t c 1 1 0 3 的p v 值。 因为丙烯、氨、空气进料均为气体，当温度压力变化时，变化的温度、压力 信号与其自身的流量信号，一起送到计算单元f x 1 1 0 1 、f x 一1 1 0 2 、f x 1 1 0 3 ，运 用固定的公式进行计算，( 计算公式在计算机内部组态时实现) 。这样的结果， 虽然改变了各种物料的体积流量，但是，物料的质量流量变化甚少，使床层温度 变化较小，物料配比满足工艺要求。 调节原则： 根据s o h i o 的规定，r 一1 0 1 反应器三进料比分别是： 理论上丙烯、氨、空气= 1 ：10 ：5 实际上 丙烯、氨、空气= 1 ：11 5 ：1 05 从调节回路的构成可知：调节原则是定丙烯、调氨、调空气 程培久：丙烯腈装置自动控制系统及优化 总之：此系统可以根据四个环节 选择环节0 p m t s 串级环节t c l1 0 3 f c 11 0 1 比值环节 f c 1 1 0 2 f c 11 0 3 简单环节 f c 11 0 1 11 0 2 11 0 3 详见附录a 三进料控制系统框图 回路说明： 1 、f x 一11 0 1 a = c 3 i u r e + c 3 v a l v e + 1 0 5 2 、f x 一11 0 1 b = c ；l p u r e 4 c 3 v a l v e + 09 5 3 、f f i 一11 0 2 = f x - 11 0 2 f x 一11 0 1 c 3 p v r e 4 、f f i 一11 0 3 = f x 一11 0 3 f x 一11 0 1 c 3 p v r e 5 、f y - 11 0 2 = i1 5 + f x - 11 0 1 4c 3 p v r e 6 、f y 一11 0 3 = 1 0 5 + f x - 11 0 1 + c 3 p v r e 7 、t y 1 1 2 2 = a v r e r a g e ( t 一1 1 2 2 t 1 1 2 6 ) 8 、t y 11 2 7 = a v r e r a g e ( t 一11 2 7 - t 1 1 3 1 ) 9 、f x 一11 0 1f x - 11 0 2f x 11 0 3 是c 3 、n h 3 、a i r 流量温压补正后数值 在d c s 中f x - t 1 0 1 、f x 一1 1 0 2 、f x - 1 1 0 3 组态为a j 点，在其温压补正表 中选择气体平方根方式，输入压力、温度补正因子和对应测量温度、压力的位号 名，实现温压补正。组态四个单调节回路f c 1 1 0 1 、f c 1 1 0 2 、f c 1 1 0 3 、t c 一1 1 0 3 ， 组态内部一个开关变量来作为选择哪个平均值作为t c 一11 0 3 的输入参加控制，平 均值t y 。1 1 2 2 、t y l l 2 7 和中间变量f x 1 1 0 1 a 、f x l l 0 1 b 、f y 1 1 0 2 、f y l l 0 3 采用p r o v o x 系统中逻辑控制点和功能顺序表来实现各种运算，f x 一11 0 1 a 、 f x i1 0 1 b 作为f c 一11 0 1 设定值s p 的i 二下钳制范围，t c 11 0 3 的输出作为f c 一11 0 1 的给定，并受f x 一1 1 0 1 a 、f x l l 0 1 b 的限制，f y 1 1 0 2 、f y l l 0 3 作为f c 1 1 0 2 、 f c l1 0 3 的设定，在投运时相当于三个串级调节。 此回路设计过于复杂投用条件苛刻，对此回路优化主要把固定比值系数改为 变比值系数适应不同催化剂存在的差异性。 丙烯腈装置自动控制系统实现及优化 3 2 3 串级调节 在串级控制系统中由于引入一个闭合的副回路，主参数产生的偏差经过主调 节器的放大作用，又经过副调节器的放大，其调节作用远比简单控制系统强，因 此能迅速地克服来自主参数的干扰。同时，对于副回路的干扰更具有先调、粗调、 快调的特点，主要回路具有慢调、细调的特点，并将对副回路尚未消灭掉的干扰 彻底消灭干净。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合，充分发挥 各自的调节的作用，大大提高了主参数的调节质量。串级控制系统有以下几个特 点，一是由于副回路的加入，以及调节器参数整定时，按随动控制系统的要求使 之能快速动作，对于进入副回路的干扰具有很强的抑制力，其剩余部分又有主调 节器进一步调节，总的调节效果比单回路时大大提高；二是串级控制系统能改善 调节对象的特性，不仅可使调节通道总的滞后减小，提高了主回路的调节质量， 而且可使非线性特性转化为近似线性特性；三是串级控制系统由于副回路的存 在，具有一定的自适应性。由于串级控制系统具有以上几个优点，因此丙烯腈装 置中设计了7 套串级调节控制系统。但串级调节控制系统调节作用太强，要求副 回路调节有粗调、快调的作用，工艺方面有时又要求副回路波动范围不能太大， 给回路的投用带来困难，在回路调优过程中确实存在这个问题，参数整定反复多 次，最后还有个别回路达不到要求，后来采用对调节阀限幅，避免副回路波动超 出范围，并增加一些变送器采集过滤时间，使调节效果达到了要求。 1 t c 一1 2 3 3 、f r c 一1 2 2 7 串级调节 t 一1 0 4 回收塔第4 8 块塔盘温度t e 一1 2 3 3 ，是灵敏点温度，温度高说明塔釜重 组分乙脖等物质移向塔顶，因而导致塔顶产品不合格，温度低，说明塔顶部丙烯 腈和轻组分移向塔釜，导致乙腈塔t 1 1 0 进料中丙烯腈的含量高，因此对回收塔 第4 8 块塔盘温度要进行严格的控制。 直接影响灵敏点温度的主要因素是进入再沸器e 一1 4 5 的蒸汽量，所以设置一 个以第4 8 块塔盘温度t r c l 2 3 3 为主调，进入再沸器的蒸汽流量f r c 一1 2 2 7 为副 调的串级调节回路