环氧丙烷调温水工艺过程控制系统

陈立军 任 娟 王冬雪 肖建国 陈伟凤 王 睿

(1.东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012；2.吉林市寰盟科技有限责任公司，吉林 吉林 132012；

3.吉林省水资源管理中心，长春 130022；4.吉林电力股份有限公司四平第一热电公司，吉林 四平 136001)

环氧丙烷(PO)是除聚丙烯和丙烯腈外的第三大丙烯衍生物，是重要的基本有机化工合成原料，也是油田破乳剂等的主要原料，现已广泛用于化工、建筑及医药等领域。目前国内外工业PO的生产工艺主要有氯醇法、共氧化法(也称间接氧化法)和直接氧化法(HPPO工艺)。氯醇法生产工艺成熟、操作负荷弹性较大、对原料丙烯纯度要求不高；缺点是会产生大量含氯化钙废水，易对设备产生腐蚀，并且会消耗大量氯气。共氧化法克服了氯醇法的缺点，但也有其不利之处，如工艺流程长、对原料规格要求高、设备造价高、防爆要求及操作条件严格等[1]。直接氧化法是一种绿色环保的新型生产工艺，与传统的PO生产工艺相比，HPPO技术生产过程中产出的副产品极少、流程简单、产品收率高、投资少、能耗少、无污染，因此受到了越来越多的关注。

目前，Basf、Dow及韩国SKC等公司先后以过氧化氢直接氧化法生产PO，但是生产过程中会放出大量反应热，而且催化剂具有严格的激活温度，只有在该激活温度以上时才能获得合理的过氧化氢转化率，保证PO的收率；但温度过高会导致副反应增加进而影响PO的选择性[2]。在现有HPPO生产PO中存在调温水控制不稳定，达不到工艺要求的问题。针对这个问题，笔者以某化工厂直接氧化法生产PO过程为研究对象，采用Honeywell Experion PKS过程知识系统，设计调温水自控系统。

某化工厂直接氧化法生产PO工艺的调温水自控系统主要由PO反应器、调温水泵、湿式空冷器(WSAC)单元、公用备用泵、冷却器和加热器、流量调节阀及温度调节阀等组成。

反应器的温度控制是影响PO产品质量的重要因素，因此每个反应器都配有一个闭环调温水系统，在30～52℃供给适量的冷却水，移出大量反应热。调温水供给从反应器顶部进料，然后一股分流自反应器上部区域排出，其他从反应器底部排出。排出水流入PO反应器调温水泵的吸入管线中，打入调温水系统进行温度调节。调温水进入反应器的总量和反应器各自排放量依照需求总量与调温水设定温度调节，以便在反应器内获得均衡的温度分布，有效地除去反应热，从而实现对反应器系统温度的稳定控制，保证整个反应系统正常运行，提高PO的收率和选择性。

2 控制方案

某化工厂直接氧化法生产PO工艺的调温水自控系统的方案设计如图1所示。再生-加热时，加热温度控制器对加热流量控制器进行串级控制，严格控制加热蒸汽的投入量；再生-制冷时，制冷温度控制器与参考温度控制器进行比较，来有效控制冷却水的投入量，这样对被控温度的控制直接且稳定。参照其他换热控制系统，两个换热器各自单独控制，或由人工参与加热蒸汽和冷却水的投入，与被控温度不直接关联。可以避免加热或制冷时由于温度控制的滞后，投入过多的加热蒸汽或冷却水而发生超调，甚至会引起系统振荡，致使反应器内的温度造成巨大波动，对产品质量产生恶劣影响。

图1 调温水自控系统方案

3 控制系统的实现

某化工厂直接氧化法生产PO工艺调温水自控系统采用Honeywell Experion PKS，将人员与过程控制、经营和资产管理融合，具有响应速度快、可靠性高、安装方便、易于维护及编程简单等优点[3]。Honeywell Experion PKS为用户提供了远高于DCS的功能，包括嵌入式决策支持和诊断技术；安全组件保证系统安全环境独立于主控系统，提高了系统的安全和可靠性[4]。

调温水自控系统由调温水控制单元、操作站、管理中心及通信网络等组成。调温水Honeywell Experion PKS系统通过容错以太网通信方式，利用交换机将服务器、操作站和C300控制器连接起来，现场各仪表单元通过I/O卡件集成到系统[5]。

调温水系统的工艺流程如图2所示，PO生产过程中，调温水系统正常操作，反应器底部排出的调温水首先通过调温水泵进入调温水系统，温度变送器(TWS)标头温度变送器/控制器通过操纵冷却风扇的转速实现对调温水的粗调控制，旁路温度控制器操纵旁路温度控制阀对进行精细控制。加热流量控制器工作在手动模式下，输出0%，终止中压蒸汽进入调温水加热器。

当催化剂活性减弱时，切换到再生模式。在再生过程中，WSAC单元停止运行，调温水只通过旁路调节阀控制。每个反应器上部排出的调温水在不同再生模式下分别流过不同的换热器，使调温水温度始终保持在工艺需要的设定值。

图2 调温水系统工艺流程

在再生-加热模式时，被控温度变送器或加热温度控制器投运。加热温度控制器通过旁路温度调节阀操纵被加热水流量来控制温度，热水来自调温水加热器。此外，加热温度控制器的输出还作为加热流量控制器的设定值，组成串级调节回路，控制送至调温水加热器中的中压蒸汽量。

在再生-制冷模式时，调温水冷却器出口的参考温度控制器将其信号送至低选器，与被控温度变送器/制冷温度控制器比较，低选器输出操纵旁路温度调节阀的开度。当水温达到50℃时，被控温度变送器/旁路温度控制器开始作用，系统从再生制冷切换到正常模式。加热流量控制器工作在手动模式下，输出0%，终止中压蒸汽进入调温水加热器。

系统工作在不同模式下，对应的各温度控制器的设定值：正常，加热速率10℃/h，冷却速率10℃/h，可在3种模式下单独设置。加热和冷却速率不应超过10℃/h，避免调温水温度波动过大对反应器温度控制造成不良影响。

该系统实现了过程监控、数据采集、显示、报警、历史趋势、报表、数据存储及通信等功能，能够进行集中监视、操作和管理。可以根据工艺要求和实际生产状况，对系统的运行参数进行实时设定。

4 现场控制效果

该调温水自控系统已应用于某化工厂年产30万t的PO项目中，投运以来，系统运行状况稳定，控制效果良好，产品质量达到了设计目标。现场运行效果如图3所示，图3a为再生-加热操作模式下加热温度控制器的控制曲线，加热速率9℃/h；图3b为再生-制冷操作模式下制冷温度控制器的控制曲线，冷却速率9℃/h。可以看出，即使在再生-加热/制冷模式下，被控温度也按要求以一定的速率升高或下降，控制效果理想，充分验证了自控方案的可行性。

图3 调温水控制系统投运效果

5 结束语

笔者设计的直接氧化法生产PO工艺调温水自控系统，实现了对反应器温度的稳定控制，系统可以在不同模式下快速切换，并且操作简便。有效地提高了PO的生产效率和产品收率，降低了企业能耗，提高了经济效益。目前，该系统已应用于某化工厂年产30万t的PO生产项目中，投运以来，系统运行状况稳定，产品质量达到了设计目标。该系统的成功投运降低了操作人员的劳动强度，提高了系统运行的可靠性与连续性，具有广阔的应用前景。

[1] 张军,于春梅.环氧丙烷的生产及发展趋势[J].化学工业,2014,32(5):18～21.

[2] 朱斌.HPPO工艺催化剂活性组分研究[J].石油学报(石油加工),2013,29(2):223～227.

[3] 李艳,张健,朱学峰,等.DCS控制系统及软测量技术在间歇制浆蒸煮过程的应用[J].化工自动化及仪表,2003,30(4):26～27.

[4] 李生光.国产DCS在大型机组上的应用技术评价[J].电力建设,2009,30(5):71～73.

[5] 王宝刚,李东洁.基于STC89C52的水温自动控制系统设计[J].制造业自动化,2012,34(9):111～113.