氯化氢吸收制酸过程的先进控制策略及其应用_陈华锋.pdf

38应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期氯化氢吸收制酸过程的先进控制策略及其应用Advanced Process Control Strategy and Application of Hydrogen Chloride Absorption Acid Production Process陈华锋 金晓明 柯树炉（浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州 310053）Chen Huafeng,Jin Xiaoming,Ke Shulu(Zhejiang Supcon Technology Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 310053)摘要：针对氯化氢吸收制酸过程面临的易超温、酸槽液位与盐酸浓度匹配不佳、操作难度大等问题，提出一种先进控制策略，实现氯化氢吸收制酸过程中工况判断、盐酸浓度与降膜吸收器吸收温度的协调控制、酸槽的自动切换等功能。工业生产装置实施应用效果表明：该先进控制策略提升了 盐酸浓度控制的平稳性，避免降膜吸收器因超温而出现的环保风险，并降低了操作人员的劳动强度。关键词：氯化氢吸收制酸 降膜吸收器 盐酸浓度 先进控制 专家控制Abstract：In view of the problems existing in the process of hydrochloric acid production by hydrogen chloride absorption,such as easy overheating,poor matching between acid tank level and hydrochloric acid concentration,and difficult operation,an advanced control technology of automatic control method for hydrochloric acid production by hydrogen chloride absorption was adopted,and the working condition judgment,coordinated control of acid concentration and falling film absorber temperature,automatic grooving and other control principles in the process of hydrochloric acid production were discussed.Finally,through the implementation of advanced control technology,the stability of acid concentration control was improved,the environmental risk of falling film absorber due to overtemperature was avoided,and the labor intensity of operators was reduced.Key words：Acid production by hydrogen chloride absorption Falling film absorber Hydrochloric acid concentration Advanced process control Expert control收稿日期：2022-07-12作者简介：陈华锋（1983-），男，浙江杭州，工程师，现从事APC实施及管理工作。引言降膜吸收是化工行业中常用的分离副产HCl制盐酸的工艺，具有设备简单、投资低、吸收效率高等优点。然而，在实际生产运行中，随着吸收时间的增39APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期果显示，先进控制系统明显提升了降膜吸收器温度的稳定性、盐酸浓度与酸槽液位的匹配度，大大提高生产自动化程度。1 工艺特点与控制需求HCl吸收制酸过程工艺流程为：反应物料气通过HCl分离塔分离出氯化氢气体，然后进入4个降膜吸收器；工业水通过调节阀控制与循环酸一起进入降膜吸收器，经过气液传质达到吸收氯化氢气体的目的；吸收后的盐酸进入盐酸储槽，经过连续循环吸收，使酸浓度达到合格标准，然后切换盐酸储槽，再次循环吸收。HCl吸收制酸过程工艺流程如图1所示。HCl吸收制酸过程有两方面的控制需求：（1）控制降膜吸收器温度不能超温，需要一个合理调节进水量的控制策略克服盐酸浓度变化和负荷变化带来的影响。（2）解决盐酸浓度和酸槽液位之间的匹配问题，即在酸槽液位正好达到需要切槽时，所对应的盐酸浓加，盐酸浓度不断提高，导致降膜器的吸收温度不停变化，需要频繁调节进水量，同时，负荷变化也需要调节进水量。如果吸收温度超温，将导致HCl气体溢出至尾气吸收系统，不仅减少经济效益，而且增加环境污染风险。另一方面，生产运行需要考虑盐酸浓度与酸槽液位的匹配问题，即当前酸槽液位正好达到所对应的盐酸浓度。如果匹配不当，酸槽液位较高而盐酸浓度低，则需要减少进水或排出一部分盐酸至备用槽，容易造成超温；如果盐酸浓度较高而酸槽液位低，则需要增加进水量，造成每个生产周期的不稳定。因此，盐酸降膜吸收过程普遍存在着自动化程度低而劳动强度大的问题。本文针对某氟化工生产装置的HCl吸收工段提升自动化水平的需求，提出了一种HCl吸收制酸过程的先进控制策略。该控制策略以浙江中控技术股份有限公司的APC-Suite软件为实现平台，根据HCl吸收制酸过程的工艺运行特点，采用专家控制和预测控制建立吸收制酸过程先进控制系统。实际运行效图1 HCl吸收制酸过程工艺流程40应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期HCl吸收制酸过程中，盐酸储槽A、B是轮换工作的。当某个储槽的液位、酸浓合格后，先进控制系统需自动完成切槽，并提示出酸，进入下一循环周期。2.2 控制功能先进控制系统的输入信号包括盐酸浓度、各酸槽液位、各降膜吸收器吸收温度设定值和测量值、进水调节阀的上下限等；输出信号为各进水调节阀开度、酸槽进出口切断阀切换指令。吸收制酸先进控制系统由3个子模块构成。HCl吸收制酸过程先进控制系统基本功能如图2所示。2.2.1 工况判断模块工况判断的依据是实际盐酸浓度与目标盐酸浓度之间的差值大小。目标盐酸浓度是随着吸收过程的进行而增加的，可通过当前使用酸槽的液位拟合估计目标盐酸浓度。因此，工况判断模块包括当前使用酸槽判断、目标盐酸浓度拟合、盐酸浓度比较等功能。（1）当前使用酸槽判断通过两只盐酸储槽上各自的进出口切断阀开关状态判断哪一只储槽是当前使用槽。（2）盐酸浓度拟合根据当前使用酸槽液位计算出当前液位应该达到的盐酸浓度，即目标盐酸浓度。（3）盐酸浓度比较实际盐酸浓度与拟合的目标盐酸浓度相比较得度也符合要求。这样，盐酸浓度和酸槽液位均符合要求时，自动切换盐酸储槽，实现生产效率的优化。2 先进控制策略2.1 控制目标将酸槽液位和盐酸浓度作为先进控制器的被控变量、各降膜吸收器温度作为约束变量、HCl分离塔采出进入降膜吸收器HCl流量作为干扰变量；将进水调节阀作为先进控制器的操纵变量，同时兼顾降膜吸收器温度不超标。HCl吸收制酸过程先进控制系统的核心目标是：盐酸储槽液位与盐酸浓度达成高度的同步与一致，即经过多轮降膜吸收，盐酸浓度与酸槽液位同步缓慢增加，并且在盐酸浓度合格时，酸槽液位刚好达到上限。此外，在吸收制酸过程中，降膜吸收器温度不超过上限。液位与浓度协调控制目标和吸收温度的上限均需要通过调节降膜吸收器进水量实现。HCl气体流量主要受上游单元生产变化和HCl分离塔灵敏板温度控制要求的影响，直接决定了吸收制酸单元的生产负荷，也是外部干扰变量。HCl进气量变化将直接影响降膜吸收器的吸收温度和盐酸浓度，可以作为前馈变量引入先进控制系统，以便及时调节进水量，克服HCl进气量变化的影响，从而达到更好的控制效果。图2 HCl吸收制酸过程先进控制系统基本功能41APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期位、各降膜吸收器吸收温度等测量值，通过先进控制功能块的判断、运算，给出各进水调节阀开度、酸槽进出口切断阀切换指令等实时输出信号，并回写至DCS系统中间变量，通过DCS系统的写值保护、通信保护等安全机制之后，实现对氯化氢吸收制酸过程的多目标协调约束控制。3 应用效果某化工厂HCl吸收制酸过程已实施上述先进控制系统。通过合理设置降膜吸收器温度上下限和相关控制参数值，并在运行过程中根据生产负荷的变化适当调整控制参数，获得良好的控制效果。HCl吸收制酸先进控制系统投运前后的主要被控变量和约束变量的控制效果对比，如图3、4和表1所示。图中曲线均采集72小时的连续运行数据。3.1 被控变量的性能改善如图3所示，可以看出，投运前降膜吸收器温度波动很大，且经常有超温现象（一般控制在43以内），不仅影响盐酸吸收效率，并且导致HCl气体溢出至尾气吸收系统，增加环境污染风险。投运先进控制系统后，温度波动范围小（每次切槽会因盐酸浓度变化出现温度的周期性波动），不再出现超温现象。表1显示投运先进控制系统之后，吸收温度的到差值CT。当CT远小于一个设定值时，表示当前液位对应的盐酸浓度太低，后续吸收过程中可能无法得到合格的盐酸，此时作为工况一输出，需要进行倒酸处理，即把当前酸槽的盐酸送一部分至备用槽；当CT在一个合适范围内时，表示当前液位对应的盐酸浓度是可控的，此时作为工况二输出，接下进入吸收制酸过程先进控制系统，实现多目标协调约束控制。2.2.2 盐酸浓度与吸收温度的协调控制模块此模块在工况二条件下输出，即盐酸浓度差值CT在合理范围内。（1）吸收温度控制主要控制各降膜吸收器温度，当某一个降膜吸收器温度超过上限时，进水调节阀开大一定阀位，等待温度下降。经过一定时滞后，再次判断温度，如果仍旧超上限，继续开大阀位，如果温度低于上限，则不输出。（2）盐酸浓度控制首先对各降膜吸收器温度进行排序，判断盐酸浓度差值CT的大小，当CT+C_CT时，则加大温度最高的降膜吸收器所对应的进水调节阀。上述两个模块相互协调，可以获得较好的协调控制效果。2.2.3 自动切槽模块在吸收制酸过程正常运行的同时，监控到盐酸浓度达到要求、并且酸槽液位也符合要求时，打开备用酸槽进酸切断阀、出酸切断阀，然后关闭当前使用酸槽进酸切断阀、出酸切断阀，同时给出提示完成切槽。整个HCl吸收制酸过程进入下一个运行周期。2.3 先进控制系统架构HCl吸收制酸过程先进控制系统采用浙江中控技术股份有限公司的APC-Suite先进控制软件实现上述控制功能。该软件运行在DCS系统的先进控制上位机，通过标准OPC接口软件，建立先进控制系统与DCS控制站之间的双向数据通信。先进控制系统实时读取盐酸浓度、各酸槽液图3 先进控制系统投运前后降膜吸收器吸收温度对比42应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期自动切换，避免降膜吸收器因超温而出现的环保风险；达到了吸收制酸过程全自动化运行水平，极大降低了操作人员劳动强度。该先进控制策略对于同类装置具有一定的示范作用。参考文献1 梅晓红.高纯盐酸浓度的有效控制.氯碱化工，2008，44（5）：34.2 王飞，安丰颖.氯化氢合成生产中制酸工序DCS控制方法开发与应用.中国氯碱，2019（12）：3133.3 明坤，薄振海，王尚.盐酸生产中的质量控制.中国氯碱，2017（7）：4547.4 井发启，吕学海.氯化氢气体吸收工业性试验研究.化学工程与技术，2013（3）：175177.5 刘超.盐酸生产工序自动化控制的优化.氯碱化工，2019，55（12）：2931.6 王树青，戴连奎，于玲.过程控制工程（第二版）.北京：化学工业出版社，2008.7 黄德先，叶心宇，等.化工过程先进控制.北京：化学工业出版社，2006.8 王树青，金晓明.先进控制技术及其应用.北京：化学工业出版社，2005.9 金晓明，张泉灵，等.先进控制技术在纯碱生产碳化过程中的应用.化工学报，2008，59（7）：17611767.10 江凤月，郑信春，金晓明.先进控制技术在乙苯脱氢法苯乙烯装置中的应用.计算机与应用化学，2017，34（10）：822827，834.标准偏差降低了36%。如图4所示，可以看出，先进控制系统投运前，盐酸浓度与酸槽液位的一致性和同步性较差；先进控制系统投运后，两者之间的匹配度得到显著改善，且每个周期都比较一致。3.2 操作频次根据投运前后3天操作频次的统计可知，先进控制系统不仅将吸收制酸过程正常运行时操作频次由平均150次/天降低到0次/天，而且实现了盐酸储槽的全自动切槽；从而从根本上实现了吸收制酸单元的全自动操作。HCl吸收制酸单元操作人员的操作频次在先进控制系统投运前后对比，如图5所示。4 结束语本文提出的HCl吸收制酸过程的先进控制策略在实际生产装置上取得成功应用，实现了提升吸收温度平稳性、盐酸浓度与酸槽液位的协同和酸槽图4 先进控制系统投运前后盐酸浓度与酸槽液位的对比（加粗为酸浓，细线为液位）表1 先进控制系统投运前后吸收温度平稳性对比投运前投运后标准差降低率%标准偏差平均值标准偏差平均值降膜吸收器温度3.6239.12.3132.3736图5 先进控制系统投运前后操作频次的对比