磺化工艺过程控制方案.pdf

周学蕾 崔 洋 郜 胜中国中轻国际工程有限公司，北京，100026摘 要：?关键词：?中图分类号：?0?文献标识码：?文章编号：1?72?2701（2024）01?7?0?磺化工艺过程控制方案目前国内磺化装置通常采用的是膜式磺化反应器，其原理是利用精密的原料分布器，使有机物料沿高光洁度的反应管内壁成膜状流下，与三氧化硫气体接触并发生磺化反应。该反应器能准确控制参与反应物料的摩尔比，达到精确反应的目的。膜式磺化反应器技术成熟，在我国合成洗涤剂行业有广泛的应用。但同样装置所生产的产品质量却参差不齐，这种差距不仅是在工艺方面，过程控制方案和精度也是重要方面。同样的工艺在反应过程中对于反应条件的反馈和处理的不同会有很大的差别。1 磺化反应系统工艺流程磺化反应系统工艺流程如图1所示。变 压 吸 附 阶 段：将 空 气 经 过 滤，压 缩 至0.050.07 mPa，升温至80110。压缩过程中?10?年?75?表面活性剂产生的热空气经过冷却器降温至25，并将其中水分冷凝析出。燃硫阶段：液硫与燃烧空气逆向进入燃烧炉，然后落到耐火球上进行燃烧，燃硫率99.9。从燃烧器中出来的SO2气体温度在600700，体积浓度约为7%(v/v)。SO2/SO3转化阶段：在到达SO2/SO3转换器的催化剂层前，SO2气体通过内置冷却器被冷却到约420。经过转化塔内过滤层、催化剂层及各层之间冷却器的温度调节，可将反应温度控制在最佳反空气变压吸附真空中和调配脱气AES装桶、装车尾气排空液碱(亚)硫酸钠静电磺酸静电除雾老化水解烷基苯AEO工艺水液碱漂白剂缓冲剂LAS装桶、装车SO2/SO3转化磺化尾气碱洗燃硫液硫剂量再生蒸汽热回收换热热风外供蒸汽纯水氧气图1 磺化工艺流程应范围，使转化塔出口SO2气转化率约97，操作温度420450。最后通过三台串联的热交换器将SO3/空气从约420 冷却到约55。磺化阶段：SO3气体从磺化反应器顶部注入反应管中。进入反应器的有机物（烷基苯、AEO等）由流量计及调节阀组成的调节回路控制，原料经由特制的分配头与气体顺流的形式进入磺化反应器。通过反应器底部排出气液混合物经分离器分离，生成的磺酸根据原料的不同选择不同的生产路径，其中含有未转化SO2气体经过尾气处理排空。中国洗涤用品工业762024年第1期（总274期）中和阶段：中和单元用来生产高浓度活性物料浆。为避免产品过热，中和物料通过闪蒸器，在负压的操作工况下，脱出物料中水分，产品热量也随之带走。产品在压力调节回路的作用下被送去贮存，经在线pH值调节回路使产品达到合格要求。调配脱气阶段：当生产高浓度AES（或类似产品）时，浓缩的料浆中可能含有少量空气。用带负压的专用设备将其中的空气除去，从而产生出半透明状料浆。脱气过程可降低黏度，使操作和泵输送更加容易且提高产品的稳定性。尾气处理阶段：有机物和部分残留的SO3经静电除雾器分离，回收的“静电磺酸”可并入产品或其他用途。含有未转化SO2气体的尾气在一带填料的洗涤塔内进行处理，塔内不断添加循环水和碱液，经过净化的尾气气流被排放到大气中。碱液的注入量根据亚硫酸溶液的pH值进行自动调节。反应装置如图2所示。图2 磺化反应装置图SO3过滤器磺酸输出泵TT PTPTTT 有机物过滤器尾气旋风分离器尾气装置醇醚烷基苯烷基苯磺酸脂肪醇硫酸酯 干燥空气SO3磺化反应器气液分离器应急压缩空气罐PT工艺空气流量计流量计流量计流量计SO3SO3过滤器2 磺化反应系统控制方案随着自动化技术的不断发展，人们见证了磺化反应系统从手动操作到全自动化的转变，不仅提高了生产效率，还极大地改善了产品质量和安全性1。首先，膜式磺化反应器的应用使得磺化反应能够更加精确地控制参与反应的物料摩尔比，实现了精确反应的目标。尽管这一技术已经相当成熟，并广泛应用于洗涤剂等领域，但产品质量的差异依然存在，这需要人们在工艺、过程控制和精确度方面继续努力改进。磺化反应系统的工艺流程包括多个关键阶段，如变压吸附、燃硫、SO2/SO3转化、磺化、中和、调配脱气和尾气处理。每个阶段都需要精密的控制，以确保产品的稳定性和质量。例如，采用串级控制系统来控制中和阶段的pH值，这种方式能够有效地消除pH值检测仪滞后和不稳定性，提高了产品的一致性。安全性在磺化反应系统中是至关重要的，特77?表面活性剂别是考虑到其列入危险化工工艺目录。安全仪表系统的设计和应用可以大大降低事故的风险。通过HAZOP分析，我们可以识别潜在的危险和安全隐患，并采取相应的措施来预防事故的发生。设置了SIS安全仪表系统，包括紧急切断阀、应急压缩空气罐出口阀门等，这些措施在应对紧急情况时发挥了关键作用。2.1 磺化反应比值控制系统在磺化反应过程中，有机物和SO3进料速率的配比是控制的关键因素之一。为了将两者的进料速率控制在一个适当的范围内，利用计算机控制系统进行实时监控，并对反馈回来的测量值进行计算从而通过调节阀门开度的方式保证进料速率的稳定2。传统控制方案采用单闭环比值控制系统进行控制，如图3所示，此种控制方案适用于Q（即原料流量输入量）比较稳定的场合。当Q本身波动比较频繁，变化幅度较大时，虽然经过调节R1保持一定的比例关系，但是由于调节具有滞后性，实际上R1无论是累积量还是进料速率都很难严格保持一定的比例关系，同时负荷经常波动也会对下一工序带来不图3 单闭环比值控制系统及方框图 原料1产品FICQ2FIQ1原料2FV2FICQ2FV2FT2R1FT1FIQ1(比值计算器）Q+-给定值中国洗涤用品工业782024年第1期（总274期）图4 双闭环比值控制系统及方框图利的影响。为了消除上述不稳定带来的影响，在单闭环比值控制系统的基础上，将原料1作为主动变量，原料2作为从变量并增加闭环控制回路，这样就构成了双闭环比值控制系统，如图4所示。该控制系统的特点是保持比值控制的前提，主变量和从变量两个流量均构成闭合回路，可以有效克服自身流量的 原料2原料1产品FICQ2FICQ3FV2FV3FICQ3FV3FT3R2FT2+-给定值-+FICQ2FV2R1比值计算器干扰，使主、从变量都能稳定的进行调节3。2.2 磺化反应串级控制系统磺化反应中和阶段由于pH值具有较大的滞后性和不稳定性，故采用串级调节方式。控制系统自动检测料浆中的pH值，并通过与进料流量计串联的方式控制进料流量，如图5所示。串级控制系统有两个控制器，回流管pH值在79?表面活性剂P-18AICQFICQ1FICQ2FICQ3FV1FV2FV3脂肪醇硫酸酯碱液工艺水漂白剂中和反应器脱气塔分离器尾气中和脂肪醇硫酸酯循环泵图5 串级控制系统PH检测仪（PHICQ)主控制器MV1=PV1-SV1PV1副控制器MV2=PV2-SV2副控制器MV3=PV3-SV3副控制器MV4=PV4-SV4MV11=SV2MV12=SV3MV13=SV4调节阀门FV1调节阀门FV2调节阀门FV3MV2MV3MV4PV2流量变送器(FICQ1)流量变送器(FICQ2)流量变送器(FICQ3)PV3PV4图6 串级调节系统方框图线检测仪为主控制器，进料流量计为副控制器，执行机构为进料管道调节阀门4。本系统有4个检测单元，一个测量主被控变量pH值，三个测量副被控变量进料流量。主控制器根据pH检测值与给定值的偏差值，作为副控制器流量计的给定值，副控制器流量计根据流量测量值与给定值的偏差值来调节执行机构，如图6所示。中和料浆循环泵出口pH值检测仪反馈信号为pH值检测仪（pHICQ）中国洗涤用品工业802024年第1期（总274期）PV1，通过与配方给定值SV1比较将输出值MV11/MV12/MV13作为液碱/工艺水/漂白剂进料流量控制器的给定值SV2/SV3/SV4，SV2/SV3/SV4随着MV11/MV12/MV13值的不断变化从而进行自适应校正，副控制器通过对比PV2/PV3/PV4与SV2/SV3/SV4输出MV2/MV3/MV4调节相应的调节阀FV1/FV2/FV3。副控制器把一些主要干扰在没有进入主调节对象之前加以过滤，达到消除干扰的目的；同时pH值检测仪具有滞后性，这种动态的调节可以快速、准确地对主调节对象进行调控，达到消除滞后的目的。2.3 磺化反应安全仪表系统依据国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知（安监总管三2009116号），气相SO3与脂肪醇聚氧乙烯醚的反应被列为磺化的典型工艺。磺化反应已列入首批重点监管的危险化工工艺目录，故需对磺化装置进行安全仪表系统设计，以满足安监总管三2009116号文对氧化、磺化工艺安全控制的基本要求。安全仪表系统设计采用HAZOP分析的方法对装置各工段进行分析，查找装置的设计缺陷、安全隐患及可操作性问题，通过系统的风险评估，达到预测、预防事故发生的目的。本文以磺化工艺流程图及操作规程为基础，选取工艺流程中典型的节点，确定偏差，分析偏差产生的原因及后果，分析现有的保护措施，从而对现有保护措施薄弱或缺漏之处提出相关建议。磺化反应设置SIS安全仪表系统，设置磺化反应器进SO3管道紧急切断阀（KV1）、应急压缩空气罐出口阀门(KV2)、空气干燥塔出口管道阀门（KV3）、磺化反应器出口管道温度变送器（TT1）、燃硫炉出口管道温度变送器（TT2）。当温度TT2到达上上限连锁值，停液硫供料泵、停工艺空气鼓风机、关闭KV3；当温度TT1到达上上限连锁值，停液硫供料泵、关闭KV1、打开KV2。SIS逻辑连锁如图7所示。图7 磺化反应安全仪表逻辑连锁图逻 辑 功 能输 出输 入位号用途用途触点位置连锁原因故障时触点状态连锁时触点状态断开KV3液硫输送泵空气干燥塔工艺空气出口管道切断阀门多管膜式磺化反应器切断SO3进科管道阀门失电阀门关闭失电阀门关闭失电阀门打开应急压缩空气罐打开出口管道阀门停液硫输送泵停液硫输送泵停工艺空气鼓风机失电停泵失电停泵失电停泵液硫输送泵工艺空气鼓风机KV1KV2断开断开断开断开断开连锁时动作状态位号或设备名称闭合闭合71070SISSIS手动手动TT2TT1SE1-001SE1-002燃硫炉出口管道温度指示、报警、连锁多管膜式磺化反应器出口管道温度指示、报警、连锁磺化车间紧急停车按钮磺化车间紧急停车复位按钮磺化车间 逻辑连锁81?表面活性剂3 结语磺化反应系统的工艺流程和控制方案的不断改进和创新，使得这一领域取得了显著的进展。高度自动化、精确的控制和强化的安全措施都有助于提高生产效率、产品质量和工艺安全性。我们期待着未来继续推动磺化反应技术的发展，以满足不断增长的市场需求，并为化工行业的可持续发展作出贡献。参考文献1 郭新宇,李平,郭章顺.烷基化反应系统控制方案的探讨J.石油化工自动化,2009,4:37.2 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册M.北京:化学工业出版,2000.3 谢怀仁,王成林.石油化工仪表自控系统应用手册M.北京:化学工业出版社,2014.4 王树青,乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册M.北京:化学工业出版社,2010.中国洗涤用品工业822024年第1期（总274期）Sulfonation Reaction Process Control SchemeZHOU Xuelei,CUI Yang,GAO ShengChina Light Industry International Engineering Co.Ltd.,Beijing 100026,ChinaAbstract:Taking Sulfonation reaction system as an example,it describes the manufacturing method,production process and control process of sulfonation.It introduces the control scheme in detail to the reaction conditions such as temperature,pressure,flow rate etc.during the reaction process.Keywords:?sulfonation reaction;process;control system;temperature;pressure