三氯化磷装置的自动化控制应用

王 鹏

（江苏盛泰化学科技有限公司，江苏泰兴 225400）

工业自动化过程控制技术是当前我国现代工业生产管理过程中广泛应用的一种关键技术，对于各种类型的制造企业都是具有重要的应用意义。随着化工自动化安全控制相关技术在当前我国工业化工产品生产安全行业的各领域内的广泛应用，三氯化磷控制装置的安全问题在很大一定程度上已经得到了有效解决，不过化工自动化安全控制相关技术也仍然有自身一定的局限性，并不能能够从根本上完全彻底消除我国化工产品生产安全过程及其中的一些安全隐患，因此需要对采用三氯化磷控制装置生产过程中化工自动化安全控制相关技术的实际应用及技术优化方案进行更加深入的科学研究与技术探讨。

1 化工自动化控制技术的简述

化工生产自动化过程控制简单来说就是将化工自动化过程控制管理技术广泛应用于各化工企业生产的过程管理之中，通过对独特控制算法与过程控制解决方案的综合应用，将我国化工业从原材料生产加工到成品产出乃至成品的整个生产过程控制归纳于化工自动化的过程控制管理系统当中，这样便能有效实现整个产品生产的全过程中包括温度、压力、液位以及流量等各种模拟量的过程自动化管理控制，从而在有效保证产品生产过程效率的前提同时又能增强产品生产的全过程的质量安全性。化工企业生产设备实现完全自动化的必要条件主要有3个：①所用的一套自动化化工设备与相关技术控制系统，必须还需要具备能够有效控制特定温度、流量、液位以及机械压力等自动化工设备生产重要参数；②要能够制定并提出一套自动化化工技术在自动化工设备生产的全过程管理中的具体实施方案，同时还必须能够搭建化工设备技术控制管理平台；③自动化化工设备及相关技术控制系统的专业操作管理人员还需要具备过硬的化工专业技术素质，能够完成对化工设备及相关技术的各项科学管理与规范操作。在我国化工企业生产经营过程中，自动化过程控制系统技术的实际应用以及效果与化工信息信号回馈技术有着直接的密切关系。在一个自动化的系统控制校正系统当中，如果一个控制器是在进行了必要的校正实施后，可以把之前预料中的整个控制校正信息重新送出再回到整个控制器，再通过比较控制信息中的数据，才能最终决定一个后续的校正反馈处理解决方案，把整个控制器所预期的校正效果通过信息重新进行传送后再回来到控制器的整个校正过程，则可以称为校正反馈。

2 三氯化磷生产的工艺流程

2.1 原三氯化磷生产工艺流程情况

原有PCl3生产采用间歇釜式工艺：在氯化釜里加入定量PCl3母液，升到一定温度，然后用泵一次性加入计量好的黄磷，氯气与黄磷按一定比例通入汽化氯气反应，反应合格后转离生成PCl3，然后再加入计量好的黄磷，通氯反应，周而复始。其工艺流程简图如图1所示。

图1 釜式反应工艺简图

2.2 原三氯化磷工艺自控存在的问题

原有间歇釜式工艺监控的工艺参数有：氯气（钢瓶）称重、黄磷计量罐液位、黄磷计量罐温度、反应釜温度、升气管压力（U型压差计）、升气管温度冷凝气出口温度、冷却水回水温度、液氯汽化后的温度、氯气缓冲罐压力（就地指示）。工艺参数仅供指示，调节全部是人工手动调节、控制手段单一，操作性差。自动化程度不高，不是连续化生产，产量低，要增加产量就必须增加生产装置的套数，所以占地面积大，产品质量不稳定，易生成五氯化磷，易出安全事故。游离磷含量高及人工用量多等弊端有必要对工艺进行优化。

2.3 三氯化磷改造方案

把氯化釜与洗磷塔合并改造成大高径比的三氯化磷塔式反应器，把原间歇式加磷改造成高位槽水压磷连续化供磷，塔顶冷凝后三氯化磷进入比例控制模式，一部分回流，一部分采集，实现了DCS全自动控制。该工艺强化传质传热，充分利用氯气，循环料液及黄磷氯化反应热汽化三氯化磷产生的动能，通过塔装备的改造形成漩流，促使料液螺旋上升，利用导流筒进行有效分割，提高传质传热效率，增大了氯气在反应塔中的停留时间，使氯气在塔内完全反应，避免五氯化磷的产生，提高了三氯化磷产品质量；配置循环泵将反应料液不断泵入外挂式换热器进行强制换热，通过大幅降低三氯化磷的蒸发量和氯化洗磷塔的回流比，达到了大幅减轻氯化洗磷塔负荷，实现了较小塔直径装置大幅提升产能的目标；采用DCS系统以黄磷流量控制氯气流量，通过对氯和磷的同时准确计量和定期校准，提高了配比的准确性和生产的稳定性。其工艺流程如图2所示。

图2 塔式反应工艺简图

该工艺产量有原来的单釜式10kt/a提高40kt/a，具有结构紧凑、占地面积小、运行稳定的特点可实现全自动控制，工艺指标超限报警，并具有紧急切断、联锁停车等功能。黄磷、液氯比例通过DCS准确控制和校准，能够避免生成五氯化磷，提高了装置的安全性。

2.4 改造后三氯化磷自控

氯气经过质量流量计、自动调节阀、自动切断阀进入氯化塔，黄磷通过热水高位槽位差把黄磷压入氯化塔，黄磷由质量流量计、自动调节阀、自动切断阀控制。黄磷计量通过热水质量流量根据密度换算得到，黄磷流量与氯气流量通过比例调节来控制两者流量比。氯化洗磷塔由塔底温度、塔中温度、塔中压力、塔顶温度、塔顶压力、塔身双法兰液位计、高中低三只音叉液位计组成；塔顶冷凝器由三氯化磷气相部分切断阀、调节阀、循环水进水切断阀、三氯化磷冷凝液出口温度、循环水回水温度、循环水回水pH控制组成。三氯化磷冷凝液经过气液分离器后通过比值调节控制三氯化磷采集和回流比控制塔的液位。塔顶冷凝器具有冷凝器回水温度超标及pH异常紧急切断循环水进水阀及三氯化磷进冷凝器切断阀。氯化洗磷塔根据塔底温度高高超限、塔顶温度高高超限、塔顶压力高高超限、塔身液位高高超限切断氯气进料切断阀、切断黄磷进料切断阀实现紧急停车，另外操作界面设置一键紧急停车按钮，在出现异常情况时，拍下紧急停车按钮，实现紧急停车，避免重大事故的出现。

3 三氯化磷自动化控制应用

3.1 实行DCS全自动化控制

把过去工艺控制由现场操作通过改造后工艺参数统一在控制室DCS画面上集中显示，工艺参数异常时，可以在报警画面集中显示。通过调节阀、切断阀在操作员站实行远程自动手动调节、开关阀门操作。流程简化，操作方便，真正实现全流程自动控制功能。

3.2 安全性得到提高

由于实行DCS全自动化控制，工艺参数偏离正常指标时具有报警功能，提醒操作者注意工艺异常，及时发现问题，查找原因，及时解决故障，把问题消灭在萌芽状态。工艺参数突破极限值时，具有紧急停车功能，自动联锁紧急停车。如有其他原因影响生产装置的安全时，另外设置了一键紧急停车按钮，拍下按钮就能实现紧急停车。由于实现自动化控制，减少了现场操作人员，避免出现重大人员伤亡的可能，真正实现本质安全功能。

3.3 自动化控制能避免的问题

（1）试生产时曾出现通氯速度过快，塔顶压力升高，冲料，防爆膜破裂，引起火灾。后期通过设置联锁，当塔顶压力再出现异常时，塔底温度剧烈波动超过设定限值时，自动实现停止供氯，停止供磷，自动实现紧急停车，避免了再次出现冲料火灾现象。

（2）双法兰液位计刚开始选用钽膜片，黄磷与膜片接触摩擦，膜片表面起砂，影响了测量精度。通过改进，膜片选材采用不锈钢表面涂特氟龙，投用以后，仪表寿命极大提高。

（3）塔顶冷凝器回水温度异常时，要测定回水pH是否酸性，酸性有可能冷凝器腐蚀，三氯化磷发生泄漏，窜料到循环水中，发生水解反应，放出大量热量，使水温升高，造成安全事故，生产物亚磷酸还有可能堵塞管道，通过设置联锁及时切断气相三氯化磷进料管，切断循环水进水管，及时排走余水，做停车处理。

（4）黄磷计量，是根据水的流量来推算黄磷的流量，流量系数不能太大，也不能太小，太大可能缺磷，易生成五氯化磷，安全有风险。太小可能磷富余，游离磷可能偏高，影响产品质量。

（5）氯化洗磷塔塔底温度、塔顶温度、塔顶压力是重要的监控参数，失控极易引发安全事故，是生产控制的关键参数，在日常生产中尤其要特别注意。

（6）黄磷计量罐和黄磷大槽有条件要设置氮封，防止浮磷在空气中氧化，溶液显酸性，腐蚀设备。曾经出现黄磷大槽腐蚀，重新更换黄磷大槽，增加氮封装置，收到良好效果。

4 结束语

三氯化磷生产工艺釜式、塔式都在不断地改进，自动化程度也在不断提高，釜式反应单釜产量低，连续化、自动化程度没有塔式高。无论是釜式还是塔式反应，经过一段时间生产后，磷渣通过聚集会越来越多，进而影响产品质量，必须进行除渣。塔式反应除渣比较困难，需要把磷渣转离到除渣釜进行除渣。而磷渣转离具有一定难度，这是塔式反应的局限，是今后努力的方向。总体，塔式反应从产量、连续化、自动化程度、安全可靠性占优势，值得推广。