煤化工制醋酸自动控制适用性研究及改造.pdf

煤化工制醋酸自动控制适用性研究及改造Applicability Research and Reform of Automatic Control for Acetic Acid Production in Coal Chemical Industry吴振卫1 焦亚培2 姜云贺2 刘伟海2（1.山东兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州 277527；2.北京远东仪表有限公司，北京 100013）摘 要 醋酸制造工艺流程仪表自动化系统优化实施先进控制策略，通过选择合理安全的检测仪表，并对过程分析仪和调节阀实施适应性技术改造等方式，基本解决了仪控装置腐蚀泄漏、仪器测量偏差大、操作周期较短等问题，实现了工艺流程参数的自动检测、监控、优化、调整、管理与决策等功能，使整个工艺流程体系的智能化程度、安全性与稳定性得到了很大改善，降低了开停车和正常操作时间内的故障率，大大减轻了工序作业人员的劳动强度，减少了原料损耗，大大提高了产品品质和产量，切实提高了仪表控制回路的自投率、完好率。关键词 自动控制；过程分析；流量检测；检测仪表中图分类号 TP29 文献标识码 B煤化工制醋酸自动控制适用性研究及改造吴振卫，等0 引言国内的醋酸生产工艺设备多数使用了“甲醇低压液相羰基合成醋酸反应法”1。由于醋酸制造技术的市场垄断，国内外生产厂家对生产技术的实际应用高度保密。相关行业普遍采用仪表自动化方案，实现集分布参数、非线性、多变数于一身的醋酸工艺自动控制，提升工艺过程运行管理水平，有效增加装置利用率与经济效益，减少设备运营与维护的费用。经过长期摸索与实用性改革，山东兖矿鲁南化工有限公司已逐步完善了分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），以及精密可靠的检测仪表、调节阀等装置的选型，对整个醋酸生产的全流程进行了检测、监视、优化、调整、管理与决策，大大提高了产品质量和经济效益，保证了制造过程的安全性，并且降低了原材料和能源消耗。仪控设备检测的准确性可促使企业对生产过程进行优化，并提高设备平稳运行效率，延长催化剂使用周期，减少人力物力投入等，每年可带来非常可观的直接经济效益2。1 醋酸生产工艺基本原理仪表自动化的重要性在精细化工制造过程中与日剧增，创新的智能化系统能够有效控制复杂的生产流程，并使得整个工艺制造流程的运行更加安全可靠。目前，国内厂家采用的醋酸制备技术主要为西南化工研究设计院二十世纪八十年代研制成功的甲醇低压羰基法合成醋酸工艺，是国内醋酸生产的主要制备方法。该方法对美国孟山都公司醋酸制备技术进行了改进，通过增加一个第二转化器，提高了转化反应釜温度，可将不稳-15仪器仪表与分析监测 2024年第2期定的铑液晶聚合物向化学稳定性较好的液晶聚合物转移，并通过热蒸发过程，使反应器的产能增加，设备能耗减少3。西南化工研究设计院现有的吸收工段尾气排放工艺，采用甲醇为吸收剂，可直接吸收尾气中的碘化物和醋酸，且吸收液可以作为反应原材料，无需再生处理，具有吸附作用好、产品质量高、对设备侵蚀率小等优势。为了实现醋酸工艺参数和复杂对象的自动控制，进一步提升工业工序流程控制系统运行水平，减少工厂运营与维护的费用，有效增加工业装置使用频率与经济效益，工厂仪表自动化控制系统中全面引入了分散控制器和可编程逻辑控制器等先进计算机控制系统。其调节控制回路组成如图1所示。图1 调节控制回路图 1 中的检测仪表、DCS 和执行器组成了一种单传输回路系统。贮罐液位高度经由检测仪表转换为相应的标准模拟信号后输入 DCS 控制器，控制器根据比较得到的误差值，按照相应的控制规则产生控制器信息，并根据控制系统执行机的动作，通过改变贮罐液进出物料的流速将贮罐液位高度维持在指定位置。由此可知，过程控制仪表与执行装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分，通过关键仪表和装置选型并调整DCS策略，实现生产过程的仪表自动化控制。2 仪表自动化控制改造方案生产醋酸化工行业的设备普遍采用 DCS 控制，该系统具有很高的安全性和稳定性。但在实际使用维护过程中，为确保仪表自动化系统的高度安全与可靠性，降低检测仪表和控制阀的设备故障率，避免非必要的经济损失，主要针对以下三个方面进行改造优化。2.1 流量控制仪表的适应性改造流量参数作为醋酸系统优化控制中最重要的参数之一，仅在醋酸合成工艺过程中就使用了76台流量参数的检测仪表，41套流量控制回路，其中复杂控制回路11套。由于醋酸合成工段醋酸母液的强腐蚀性会引起仪表接触零件腐蚀、表面结垢等问题，这些现象都将影响流量仪表的机械性能和使用寿命4。目前，醋酸合成工段需要在 FT-2314 转化釜出口检测流量，配合 TT-2330 反应釜温度与 TT-2331A串级调节系统作为反应釜温度控制的粗调，并且使转化釜底部排出的母液流量保持最低需求率。转化釜排出母液流量的大小与反应釜的温度有着密切的关系，有一定量的甲醇进料就必须有一定量的反应热被移走，作为反应釜温度控制的粗调，FT-2314 的调节必须符合反应釜的质能平衡。如果 FT-2314测量不准确，就会造成工艺操作失调，TT-2330/TT-2331A串级调节系统就不能达到反应釜温度控制的目的。在正常工况下，要求 FT-2314 转化釜出口流量与甲醇进料比值为 1:151:16。流量检测仪表的准确性能够为工艺提高产量，对控制其他参数具有非常重要的意义。仪表检测前期设计采用了外置捆绑式超声波流量计，但由于该介质具有高温、高压、高腐蚀性的特性，且为两相流，在两相流动过程中，由于相界面的形状和分布都是随时间和空间变化的，并且两相之间存在速度差，使得两相流动过程要比单相流动复杂得多，同时在两相流中也存在一些在单相流中不存在的参数，超声波流量计不能准确地检测流量参数。针对上述问题，通过调研分析，采用差压式方法进行两相流量测量，具体方式有三种：一是采用节流装置的仪表，如孔板、文丘里流量计，是目前应用最成熟的一种方法；二是根据加速度、摩擦、重力的变化所产生的差压对两相流体流过等截面直管段来建立模型；三是由离心力、动量矩-16所产生的动压，使用V形管等管件测量气、液分相流量。此外，还有科里奥利质量流量计等方法可进行两相流量测量，以上几种方法比较见表1，国内外厂家大都采用较为成熟的文丘里管与相关仪表配合进行检测5。表1 国内外两相流检测技术公司RoxarISA Dualstream IISchlumberger海默国内厂家使用技术微波技术+文丘里（或内锥流量计）混合器+文丘里+差压装置文丘里+微波相关流量计文丘里+相关流量计文丘里+内锥经过论证与研究，并参阅了ISO 5167:2003(E)及用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第 2 部分：孔板（GB/T 2624.22006）等资料，最终使用测量值较为准确、稳定的文丘里+楔形测量法，并在醋酸二期工程中成功的进行了应用。该方法具有结构简单、价格低、安装方便、可以实时在线检测等优点。在原始设计中，精馏工段的流量仪表使用了11 台涡轮流量计，开车运行中发现该类型仪表在选型上存在重大失误，不能准确测量流量参数。经过论证后，更换为小流量质量流量计，通过现场流量仪表的改造升级，确保了流量参数的实时、准确性，给系统安全稳定运行提供了极大帮助。2.2 调节控制阀的适用性改造一个简单的控制系统主要由检测仪表、控制器、执行器和被控对象组成。从控制系统整体看，控制性能最终通过调节阀实现，作为最终的执行单元，调节阀在自动化控制环节中尤为重要。醋酸系统调节阀在设计选型应用过程中普遍采用进口装置，内件大都使用316L不锈钢材质，由于运行过程中工艺介质的强腐蚀性导致阀芯、阀座、阀笼、阀杆腐蚀严重，致使少数阀门失去调节功能，给整个醋酸系统的安全稳定运行带来隐患。按照 工业阀门压力试验（GB/T 139272022）中规定的检测流程进行打压测试和检验，执行 高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢管法兰、锻制管件、阀门和部件标准规范（ASTM A182/A182M2018）标准，选择具备一定加工能力的闸门产品维修厂商开展合作。针对闸门产品失效问题，分别采用6YC-1、A4钢、司特莱、硬质合金等特种材质制作阀门内件，以减少因汽蚀和冲击而引起的气体泄漏；选用具备一定机械性能、物理学特性的非金属原料（如增强型四氟、陶瓷等）和各种金属材质（如锆、哈氏合金等）制作密封垫片及阀内件，消除了调节阀因强酸腐蚀造成的内漏问题，延长了调节阀的使用周期，提高了执行器的调节精度和可靠性。2.3 过程分析仪表的适用性改造及完善对于醋酸工艺系统来说，可靠性和准确度低的在线分析仪表会对工艺过程造成较大威胁，导致装置低效率运行造成经济损失，甚至会迫使装置停工。为了保证分析数据的及时性和准确性，减小工艺样品的温度、压力以及其中的杂质对分析结果所带来的影响，通过对工艺样品认真细致的研究，改善过程分析仪表样品处理系统和样品回收系统等辅助系统，是本次过程分析仪表改造的重要环节。醋酸过程分析仪原始设计中使用了11套进口在线分析仪，因过程分析仪的样品预处理系统在选型及设计上出现较多的问题，造成过程分析仪表不能正常投运。针对以上情况进行改造，方案如下：一是在反应釜出口的采样管路中，设计一套“母液过滤、减压”装置，减压及过滤材质分别选用 Zr702及 PTFE，以解决介质内杂质、沉淀物含量高，色谱仪液气转化装置易堵塞、易腐蚀和预处理入口压力过高的问题2；二是在分析预处理器和工艺蒸发器之间，设置了一路母液返回线，使取自反应釜出口的母液，在减压的同时，通过原返回线连续流回蒸发器，既可解决取样回路减压问题，又可解决样品流速慢造成的分析结果滞后问题，同时通过改变采样管道的连接方式，将卡套连接改为焊接，确保母液传输过程中不会产生泄漏；三是设计了一套母液锁斗回收装置，如图 2所示，解决醋酸母液回收量过大、回煤化工制醋酸自动控制适用性研究及改造吴振卫，等-17仪器仪表与分析监测 2024年第2期收泵工作频次高、回收泵易损坏的难题。图2 醋酸母液锁斗回收装置实施方案图上述预处理装置改造后已成功投用，通过引入在线分析仪器，实现了对温度、压力、流量、液位的监测和调控，确保了装置的工艺优化操作能够准确、可靠、长周期稳定运行，对保证系统的安全经济运行，起到关键性的决定作用。3 结束语本次醋酸工艺关键流量参数改造，采用最为成熟的标准节流装置及先进的质量流量计进行准确检测，通过改造现有的执行器调节阀，满足了工艺监控运行的要求。通过对工艺过程中介质温度、压力、成分等参数进行监控，针对调节运行中发生的腐蚀、气蚀情况，选用哈氏合金、锆金属等新型合金材料，并选择合理的阀门结构和类型提高阀门寿命 15倍，使故障率大大降低。通过对国内外醋酸行业中碘甲烷的微量分析、母液的水质分析仪表、傅里叶分析仪表等案例进行研究，使用上述仪器仪表，对过程分析仪表进行改造，将过程分析仪表与先进的自控技术融合，在现有的控制系统基础上进一步提高了仪表自控率、增强了自动化生产的稳定性和可控性，真正实现原料、生产、消耗、产品、质量、市场和效益的闭环控制，达到“低成本、高收入”目标，并为企业煤化工后续项目的发展奠定了基础。参考文献：1郭建民.石化企业在线分析仪表管理模式的初步探讨J.化工自动化及仪表，2001（5）:57-60.2李庭斌.浅谈气液两相流测量技术及其应用J.职业，2009（3）:114-115.3贺星淳，曹彬.甲醇低压羰基合成醋酸工艺、流程及控制新进展J.中小企业管理与科技,2017(02):187-191.4王树青，乐嘉歉.自动化与仪表工程师手册M.北京：化学工业出版社，2015：227-236.5乐嘉歉.仪表工手册(第二版)M.北京：化学工业出版社，2003：264-270.-18